材料成形原理课后习题解答.doc

第一章(第二章的内容)
第一部分:液态金属凝固学
答:(1)纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。原子集团的空穴或裂纹内分布着排列无规则的游离的原子,这样的结构处于瞬息万变的状态,液体内部存在着能量起伏。
(2)实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡组成的鱼目混珠的“混浊”液体,也就是说,实际的液态合金除了存在能量起伏外,还存在结构起伏。
答: 液态金属的表面张力是界面张力的一个特例。表面张力对应于液-气的交界面,而界面张力对应于固-液、液-气、固-固、固-气、液-液、气-气的交界面。
表面张力σ和界面张力ρ的关系如(1)ρ=2σ/r,因表面张力而长生的曲面为球面时,r为球面的半径;(2)ρ=σ(1/r1+1/r2),式中r1、r2分别为曲面的曲率半径。
附加压力是因为液面弯曲后由表面张力引起的。
: 液态金属的流动性和冲型能力都是影响成形产品质量的因素;不同点:流动性是确定条件下的冲型能力,它是液态金属本身的流动能力,由液态合金的成分、温度、杂质含量决定,与外界因素无关。而冲型能力首先取决于流动性,同时又与铸件结构、浇注条件及铸型等条件有关。
提高液态金属的冲型能力的措施:
(1)金属性质方面:①改善合金成分;②结晶潜热L要大;③比热、密度、导热系大;④粘度、表面张力大。
(2)铸型性质方面:①蓄热系数大;②适当提高铸型温度;③提高透气性。
(3)浇注条件方面:①提高浇注温度;②提高浇注压力。
(4)铸件结构方面:①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度;
②降低结构复杂程度。
解: 浇注模型如下:

则产生机械粘砂的临界压力ρ=2σ/r
显然 r=×=
则ρ==6000Pa
不产生机械粘砂所允许的压头为
H=ρ/(ρ液*g)==
解: 由Stokes公式
上浮速度
r为球形杂质半径,γ1为液态金属重度,γ2为杂质重度,η为液态金属粘度
γ1=g*ρ液=10*7500=75000
γ2=g2*ρMnO=10*5400=54000
所以上浮速度 v==
:(1)对于立方形晶核△G方=-a3△Gv+6a2σ①
令d△G方/da=0 即-3a2△Gv+12aσ=0,则
临界晶核尺寸a*=4σ/△Gv,得σ=△Gv,代入①
△G方*=-a*3△Gv+6 a*2△Gv= a*2△Gv
均质形核时a*和△G方*关系式为:△G方*= a*3△Gv
(2)对于球形晶核△G球*=-πr*3△Gv+4πr*2σ
临界晶核半径r*=2σ/△Gv,则△G球*=πr*3△Gv
所以△G球*/△G方*=πr*3△Gv/( a*3△Gv)
将r*=2σ/△Gv,a*=4σ/△Gv代入上式,得
△G球*/△G方*=π/6<1,即△G球*<△G方*
所以球形晶核较立方形晶核更易形成
3-7解: r均*=(2σLC/L)*(Tm/△T)=cm=*10-9m
△G均*=πσLC3*Tm/(L2*△T2)
=π*=*10-17J
: 从理论上来说,如果界面与金属液是润湿得,则这样的界面就可以成为异质形核的基底,否则就不行。但润湿角难于测定,可根据夹杂物的晶体结构来确定。当界面两侧夹杂和晶核的原子排列方式相似,原子间距离相近,或在一定范围内成比例,就可以实现界面共格相应。安全共格或部分共格的界面就可以成为异质形核的基底,完全不共格的界面就不能成为异质形核的基底。
答: 晶核生长的方式由固液界面前方的温度剃度GL决定,当GL>0时,晶体生长以平面方式生长;如果GL<0,晶体以树枝晶方式生长。
: 用Chvorinov公式计算凝固时间时,误差来源于铸件的形状、铸件结构、热物理参数浇注条件等方面。
半径相同的圆柱和球体比较,前者的误差大;大铸件和小铸件比较,后者误差大;金属型和砂型比较,后者误差大,因为后者的热物性参数随温度变化较快。
:铸件凝固时间t=,R为折算厚度,K为凝固系数,又由于R=,在相同体积的条件下,立方体。等边圆柱和球三者中,球的表面积最小,所以球的折算厚度R最大,则球形冒口的凝固时间t最大,最有利于补缩。
: 焊接熔池的特征:
(1)熔池体积小;
(2)熔池温度高;
(3)熔池金属处于流动状态;
(4)熔池界面的导热条件好,焊接熔池周围的母材与熔池间没有间隙。
焊接熔池对凝固过程的影响:
(1)母材作为新相晶核的基底,使新相形核所需能量小,出现非均匀形核,产生联生结晶(外延结晶);
(2)熔池金属是在运动状态凝固的,焊缝的柱状晶总是朝向焊接方向并且向焊缝