2022年材料成型基本原理习题答案第一章答案.docx

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1、第一章习题1 .液体与固体及气体比较各有哪些异同点？哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏？液体固体液体气体相同点不同点具 有 自 由 外 具有流淌性，不能承担切应力； 远程无序， 表；可压缩性近程有序很低不具有流淌性，可承担切应力；远程有序完全占据容器空间并取得容器内腔外形；具有流淌性远程无序，近程有序；有自由外表；可压缩性很低完全无序；无自由外表；具有很高的压缩性答：1液体与固体及气体比较的异同点可用下表说明2金属的熔化不是并不是原子间结合力的全部破坏可从以下二个方面说明： 物质熔化时体积变化、熵变及焓变一般都不大；金属熔化时典型的体积变化 Vm/V 为 3%5%左右，说明液体

2、的原子间距接近于固体，在熔点邻近其系统纷乱度只是稍大于固体而远小于气体的纷乱度； 金属熔化潜热 Hm 约为气化潜热Hb 的 1/15 1/30 ，说明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏；由此可见，金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有肯定的规律性；2 .如何懂得偶分布函数 gr的物理意义？液体的配位数 N1、平均原子间距 r 1 各表示什么？答：分布函数 gr的物理意义： 距某一参考粒子 r 处找到另一个粒子的几率，换言之， 表示离开参考原子 处于坐标原子 r=0 距离为 r 的位置的数密度 r 对于平均数密度 o=N/V 的相对偏差；N1 表示参考原子四周最

3、近邻 即第一壳层 原子数；r1 表示参考原子与其四周第一配位层各原子的平均原子间距，也表示某液体的平均原子间距；3. 如何熟悉液态金属结构的“长程无序”和“近程有序”？试举几个试验例证说明液态金属或合金结构的近程有序包括拓扑短程序和化学短程序；答：1长程无序是指液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规就的，液体结构宏观上不具备平移、对称性；8近程有序是指相对于完全无序的气体，液体中存在着很多不停“游荡” 着的局域有序的原子集团2说明液态金属或合金结构的近程有序的试验例证 偶分布函数的特点对于气体，由于其粒子分子或原子的统计分布的匀称性，其偶分 布函数 gr在任何位置均相等，呈一条直线 gr

4、=1；晶态固体因原子以特定方式周期排列，其 gr以相应的规律呈分立的假设干尖锐峰；而液体的 gr 显现假设干渐衰的钝化峰直至几个原子间距后趋于直线 gr=1，说明液体存在短程有序的局域范畴，其半径只有几个原子间距大小； 从金属熔化过程看物质熔化时体积变化、熵变及焓变一般都不大；金属熔化时典型的体积变化 Vm/V 为 3%5%左右，说明液体的原子间距接近于固体，在熔点邻近其系统纷乱度只是稍大于固体而远小于气体的纷乱度； 另一方面，金属熔化潜热 Hm 约为气化潜热Hb 的 1/15 1/30 ，说明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏；由此可见， 金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内

5、原子的局域分布仍具有肯定的规律性；可以说，在熔点或液相线 邻近，液态金属或合金的原子集团内短程结构类似于固体； Richter等人利用 X 衍射、中子及电子衍射手段， 对碱金属、Au、Ag、-7Pb和 Tl 等熔体进行了十多年的系统争论， 认为液体中存在着拓扑球状密排结-6构以及层状结构，它们的尺寸范畴约为10-10cm； Reichert观看到液态 Pb局域结构的五重对称性及二十面体的存在， 并估计二十面体存在于全部的单组元简洁液体； 在 Li-Pb 、Cs-Au、Mg-Bi、Mg-Zn、Mg-Sn、Cu-Ti 、Cu-Sn、 Al-Mg 、Al-Fe 等固态具有金属间化合物的二元熔体中均被

6、发觉有化学短程序的存在；4. 如何懂得实际液态金属结构及其三种“起伏”特点？答：抱负纯金属是不存在的，即使特别纯的实际金属中总存在着大量杂质原子；实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇、空穴所组成，同时也含有各种固态、液态或气态杂质或化合物，而且仍表现出能量、结构及浓度三种起伏特点，其结构相当复杂；能量起伏是指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停地变化，时高时低的现象；结构起伏是指液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不断地分化 组合，由于“能量起伏”，一部分金属原子离子从某个团簇中分化出去， 同时又会有另一些原子组合到该团簇中，此起彼伏，

7、不断发生着这样的涨 落过程，好像原子团簇本身在“游动”一样，团簇的尺寸及其内部原子数 量都随时间和空间发生着转变的现象；浓度起伏是指在多组元液态金属中，由于同种元素及不同元素之间的原子间结合力存在差异，结合力较强的原子简洁集合在一起，把别的原于排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异，而且这种局域成分的不匀称性随原子热运动在不时发生着变化的现象；5. 依据图 1-10 及式 1-7 说明为动力学粘度 的物理意义，并争论液体粘度 内摩擦阻力与液体的原子间结合力之间的关系；答：物理意义： 作用于液体外表的应力大小与垂直于该平面方向上的速度梯度 dVX/dy 的比例系数；通常液体的粘度表达式

8、为C expU/ k BT ；这里kB 为 Bolzmann 常数， U为无外力作用时原子之间的结合能或原子扩散势垒 ， C 为常数， T 为热力学温度；依据此式，液体的粘度随结合能 U 按指数关系增加，这可以懂得为，液体的原子之间结合力越大，就内摩擦阻力越大，粘度也就越高；6. 总结温度、原子间距或体积 、合金元素或微量元素对液体粘度高低的影响；答：与温度 T 的关系受两方面正比的线性及负的指数关系 所共同制约， 但总的趋势随温度 T 而下降；粘度随原子间距 增大而降低，与 3 成反比；合金组元或微量元素对合金液粘度的影响比较复杂；很多争论者曾尝试描述二元合金液的粘度规律，其中M-H Moe

9、lwyn-Hughes模型为：H m1-9 X1 1X 2 2 12RT式中 1、2、X1、X2 分别为纯溶剂和溶质的粘度及各悠闲溶液中的mole 分数，R 为气体常数， H m 为两组元的混合热；按 M-H 模型，假如混合热 H m 为负值，合金元素的增加会使合金液的粘度上升；依据热力学原理，H m 为负值说明异类原子间结合力大于同类原子，因此摩擦阻力及粘度随之提高；M-H 模型得到了一些试验结果的验证；当溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，由于合金液中存在异类原子间较强的化学结合键，合金液的粘度将会明显高于纯溶剂金属液的粘度；当合金液中存在外表及界面活性微量元素 如 Al-Si合金变质元素

10、Na时，由于冷却过程中微量元素抑制原子集团的集合长大，将阻碍金属液粘度的上升；通常，外表活性元素使液体粘度降低，非外表活性杂质的存在使粘度提高；7. 过共析钢液 =0.0049Pa S，钢液的密度为7000kg/m3，外表张力为21500mN/m，加铝脱氧，生成密度为 5400 kg/m 3 的 AlO ，如能使 AlO 颗粒323上浮到钢液外表就能获得质量较好的钢； 假设脱氧产物在 1524mm深处生成，试确定钢液脱氧后 2min 上浮到钢液外表的 Al 2O3 最小颗粒的尺寸；答： 依据流体力学的斯托克斯公式：2 gm9r 2，式中： 为夹杂物B和气泡的上浮速度， r 为气泡或夹杂的半径，

11、 m 为液体合金密度， B为夹杂或气泡密度， g 为重力加速度；r92 gm1.34B 10 4 m8. 分析物质外表张力产生的缘由以及与物质原子间结合力的关系；答：外表张力是由于物体在外表上的质点受力不均所造成；由于液体或固体的外表原子受内部的作用力较大，而朝着气体的方向受力较小，这种受力不均引起外表原子的势能比内部原子的势能高；因此，物体倾向于减小其外表积而产生外表张力；原子间结合力越大，外表内能越大，外表张力也就越大；但外表张力的影响因素不仅仅只是原子间结合力，与上述论点相反的例子大量存在；争论发觉有些熔点高的物质，其外表张力却比熔点低的物质低，如Mg 与Zn 同样都是二价金属， Mg

12、的熔点为 650，Zn 的熔点为 420，但 Mg 的外表张力为 559mN/m；Zn 的外表张力却为 782mN/m；此外，仍发觉金属的外表张力往往比非金属大几十倍，而比盐类大几倍；这说明单靠原子间的结合力是不能说明一切问题的；对于金属来说，仍应当从它具有自由电子这一特性去考虑；9. 外表张力与界面张力有何异同点？界面张力与界面两侧两相质点间结合力的大小有何关系？答：界面张力与界面自由能的关系相当于外表张力与外表自由能的关系， 即界面张力与界面自由能的大小和单位也都相同；外表与界面的差异在于 后者泛指两相之间的交界面，而前者特指液体或固体与气体之间的交界面，但更严格说， 应当是指液体或固体与

13、其蒸汽的界面；广义上说， 物体液体或固体与气相之间的界面能和界面张力为物体的外表能和外表张力；当两个相共同组成一个界面时，其界面张力的大小与界面两侧两相 质点间结合力的大小成反比， 两相质点间结合力越大， 界面能越小， 界面张力就越小；两相间结合力小，界面张力就大；相反，同一金属或合金液固之间，由于两者简洁结合，界面张力就小；10. 液态金属的外表张力有哪些影响因素？试总结它们的规律；答：液态金属的外表张力的影响因素有：1原子间结合力原子间结合力越大，外表内能越大，外表张力也就越大；但外表张力的影响因素不仅仅只是原子间结合力，争论发觉有些熔点高的物质，其外表张力却比熔点低的物质低；此外，仍发觉

14、金属的外表张力往往比非金属大几十倍，而比盐类大几倍；这说明单靠原子间的结合力是不能说明一切问题的；对于金属来说，仍应当从它具有自由电子这一特性去考虑；2温度液态金属外表张力通常随温度上升而下降，由于原子间距随温度上升而增大；3合金元素或微量杂质元素合金元素或微量杂质元素对外表张力的影响， 主要取决于原子间结合力的转变；向系统中加入减弱原子间结合力的组元，会使外表张力减小，使外 表内能降低，这样，将会使外表张力降低；合金元素对外表张力的影响仍表达在溶质与溶剂原子体积之差；当溶质的原子体积大于溶剂原子体积，由于造成原子排布的畸变而使势能增加，所以倾向于被排挤到外表，以降低整个系统的能量；这些富集在

15、外表层的 元素，由于其本身的原子体积大，外表张力低，从而使整个系统的外表张 力降低；原子体积很小的元素，如O、S、N 等，在金属中简洁进入到熔剂的间隙使势能增加，从而被排挤到金属外表，成为富集在外表的外表活性 物质；由于这些元素的金属性很弱，自由电子很少，因此外表张力小，同 样使金属的外表张力降低；4溶质元素的自由电子数目大凡自由电子数目多的溶质元素，由于其外表双电层的电荷密度大，从而造成对金属外表压力大，而使整个系统的外表张力增加；化合物外表张力之所以较低，就是由于其自由电子较少的缘故；11. 设凝固后期枝晶间液体相互隔绝，液膜两侧晶粒的拉应力为1.5 103Mpa，液膜厚度为 10-6mm

16、，依据液膜理论运算产生热裂的液态金属临界外表张力；答： = f T/2=0.825N/m12. 试述液态金属充型才能与流淌性间的联系和区分，并分析合金成分及结晶潜热对充型才能的影响规律；答： 1液态金属布满铸型型腔，获得外形完整、轮廓清楚的铸件的才能，即液态金属充填铸型的才能，简称为液态金属充型才能；液态金属本 身的流淌才能称为“流淌性” ，是液态金属的工艺性能之一；液态金属的充型才能第一取决于金属本身的流淌才能，同时又受外界条件，如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映；在工程应用及争论中，通常，在相同的条件下如相同的铸型性质、浇注系统，以及浇注时掌握合金液相同过热度

17、，等等浇注各种合金的流淌性试样，以试样的长度表示该合金的流淌性，并以所测得的合金流淌性表示合金的充型才能；因此可以认为：合金的流淌性是在确定条件下的充型才能；对于同一种合金，也可以用流淌性试样争论各铸造工艺因素对其充型才能的影响；(2) 合金的化学成分打算了结晶温度范畴，与流淌性之间存在肯定的规律；一般而言，在流淌性曲线上，对应着纯金属、共晶成分和金属间化 合物之处流淌性最好，流淌性随着结晶温度范畴的增大而下降，在结晶温 度范畴最大处流淌性最差，也就是说充型才能随着结晶温度范畴的增大而 越来越差；由于对于纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金，在固定的 凝固温度下，已凝固的固相层由外表逐步向内部

18、推动，固相层内外表比较 光滑，对液体的流淌阻力小，合金液流淌时间长，所以流淌性好，充型才能强；而具有宽结晶温度范畴的合金在型腔中流淌时，断面上存在着发达的 树枝晶与未凝固的液体相混杂的两相区，金属液流淌性不好，充型才能差；(3) 对于纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金，在一般的浇注条件下，放出的潜热越多，凝固过程进行的越慢，流淌性越好，充型才能越强； 而对于宽结晶温度范畴的合金，由于潜热放出1520%以后，晶粒就连成网络而停止流淌，潜热对充型才能影响不大；但也有例外的情形，由于Si 晶体结晶潜热为 -Al 的 4 倍以上， Al-Si 合金由于潜热的影响， 最好流淌性并不在共晶成分处；13. 某飞机制造厂的一牌号 Al-Mg 合金成分确定机翼因铸造常显现 “浇不足”缺陷而报废，假如你是该厂工程师，请问可实行哪些工艺措施来提高成品率？答：机翼铸造常显现“浇不足”缺陷可能是由金属液的充型才能不足造成的，可实行以下工艺提高成品率：1使用小蓄热系数的铸型来提高金属液的充型才能；采纳预热铸型， 减小金属与铸型的温差，提高金属液充型才能；2提高浇注温度，加大充型压头，可以提高金属液的充型才能；3改善浇注系统，提高金属液的充型才能；