2022年《材料加工原理》复习题 .pdf
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1、1 材料加工原理(液态成型部分)复习题:名词解释:1、 自发形核在不借助任何外来界面的均匀熔体中形核的过程。2、 非自发形核在不均匀熔体中,依靠外来杂质界面或各种衬底形核的过程。3、 气孔为梨形、圆形、椭圆形的孔洞,表面较光滑,一般不在铸件表面露出,大孔独立存在,小孔则成群出现。4、 非金属夹杂物在炼钢过程中,少量炉渣、耐火材料及冶炼中反应产物可能进入钢液,形成非金属夹杂物。5、 残余应力产生应力原因消除后,铸件中仍然存在的应力。6、 充型能力液态金属充满铸型型腔,获得尺寸精确、轮廓清晰的成型件的能力。7、 缩孔指铸件在冷凝过程中收缩而产生的孔洞,形状不规则,孔壁粗糙。8、 缩松铸件断面上出现
2、的分散而细小的缩孔。9、 铸造应力铸件在发生体积膨胀或收缩时,往往受到外界的约束或铸件各部分之间的相互制约而不能自由地进行,于是在变形的同时产生应力10、单相合金凝固过程中只析出一个固相的合金 ( 固溶体 , 金属间化合物 , 纯金属 )11、多相合金凝固过程中同时析出两个以上新相的合金(共晶、包晶、偏晶转变的合金)12、溶质再分配合金在凝固时, 随着温度不同, 液固相成分发生改变,且由于固相成分与液相原始成分不同,排出溶质在液-固界面前沿富集,并形成浓度梯度,从而造成溶质在液、固两相重新分布,这种现象称之为“溶质再分配”现象。13、平衡凝固在接近平衡凝固温度的低过冷度下进行的凝固过程。14、
3、溶质分配系数一定温度下,处于平衡状态时,组分在固定相中的浓度和在流动相中的浓度之比15、动力学过冷度物体实际结晶温度与理论结晶温度的差。液态成型理论基础:1、 纯金属和实际合金的液态结构有何不同?举例说明。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。原子集团的空穴名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 17 页 - - - - - - - - - 2 或裂纹内分布着排列无规则的游离原子,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。
4、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、成分起伏。(2)例如钢液,在钢液中主要为Fe,含有 C、Si、S、P、Mn、O、H 等元素。这些元素或以原子集团存在,或以高熔点化合物如SiO、CaO、MnO 等形式存在, 共同构成有较大成分起伏的钢液主体以及杂质、气体和空穴等。2、 液态金属的结构特征有哪些?液态金属结构接近固态(近程有序),原子均不能自由运动。围绕平衡位置振动,但振动的能量和频率高很多(长程无序)。原子间距接近固体。(熔化时,体积变化不大)熔化时,内部原子结合键只
5、有部分被破坏。(熔化时,焓变变化不大)熔点附近液体混乱度和固态差不多,但是比气态小很多。(熔化时,熵变变化不大)3、 引起表面张力与界面张力的原因是什么?物体在表面上的质点受力不均。界面:两相交界面。表面:液(固)与气体交界面。4、 粘度的物理本质什么?物理本质:原子间作相对运动时产生的阻力。流体在层流动下,液体中所有液层按平行方向运动。在层界面上的质点相对另一层上的质点作相对运动会产生摩擦阻力。5、 液态金属的表面张力与界面张力有何不同?表面张力与附加压力有何关系?答:( 1)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
6、气的交界面。(2)表面张力与附加压力符合下列公式的关系:1211rr()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。6、 钢液对铸型不浸润, =180,铸型砂粒间的间隙为0.1cm,钢液在 1520时的表面张力 =1.5N/m, 密度 液=7500kg/m3。求产生机械粘砂的临界压力;欲使钢液不浸入铸型而产生机械粘砂,所允许的压头H 值是多少?解:名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 17 页 - - - - - - - -
7、- 3 产生机械粘砂的临界压力:2/ r显然:10.10.05 cm2r则421.56000 Pa0.5 10不产生机械粘砂所允许的压头为:6000/0.08 m750010Hg液()=7、 1600时 , 铁水的 m等于1.3N/m,渣的 s等于 6.0 x10-1N/m, sm等于1N/m 。如果铁水含硫量很高时,m等于 0.6N/m, 渣的s等于 0.5N/m, sm等于 0.1N/m。分析以上两种状态渣在铁水上的铺展性。m=sm+s*cos 低硫含量时,1.3=1+0.6* cos1,cos1=0.5,1=60高硫含量时,0.6=0.1+0.5* cos2,cos2=1,2=0含硫高的
8、铁水中渣的润湿角小,铺展性好,不利于除渣。8、 根据 Stokes 公式计算钢液中非金属夹杂物MnO 的上浮速度,已知钢液温度为 1500 , =0.0049Pa.s , 液=7500kg/m3, MnO=5400kg/m3,MnO 呈球形,其半径 r=0.1mm 。解:由 Stokes公式,上浮速度为:2122()9rgv式中: r 为球形杂质半径,1为液态金属密度,2为杂质密度, 为液态金属粘度所以,上浮速度为:32320.1 10(750054009.89.33 10 m/s90.0049v()9、 计算钢液在浇注过程中的雷诺数Re,并指出它属于何种流体流动。已知浇道直径为 20mm ,
9、 铁液在浇道中的流速为8cm/s , 运动粘度为 0.307 10-6m2/s 。10、已知 660时铝液的表面张力 =0.86N/m,求铝液中形成半径分别为1m和 0.1 m的球形气泡各需多大的附加压力?11、液态合金的流动性与充型能力有何异同?如何提高液态金属的充型能力?名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 17 页 - - - - - - - - - 4 答:( 1)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充型能力
10、,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。而充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。(2)提高液态金属的冲型能力的措施:1)金属性质方面:改善合金成分;结晶潜热L 要大;比热、密度、导热系大;粘度、表面张力大。2)铸型性质方面:蓄热系数小;适当提高铸型温度;提高透气性。3)浇注条件方面:提高浇注温度;提高浇注压力。4)铸件结构方面:在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度;降低结构复杂程度。12、论液态金属的停止流动机理。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - -
11、 - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页,共 17 页 - - - - - - - - - 5 13、描述杂质颗粒在液态金属中运动的斯托克斯公式中,杂质上浮速度的影响因素?14、与具有晶体结构的固态金属相比,液态金属的原子结构或原子分布状态有什么不同 ? 15、液态金属的粘度与温度有怎样的关系?在金属熔点附近的温度区间和远高于熔点的温度区间,温度对粘度的影响有什么不同?16、利用表面张力平衡原理,写出表面张力与润湿角的关系式,并讨论不润湿和完全润湿的表面张力条件。17、某溶质对某液态金属是表面活性物质,则在液态金属的表面聚集的溶质原子对液态金属的表面张力产生怎样的影响?名
12、师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共 17 页 - - - - - - - - - 6 减少表面张力。液态金属的凝固形核及生长方式:1、 为什么过冷度是液态金属凝固的驱动力?因为只有实际结晶温度低于理论结晶温度,才能满足晶体结晶的热力学条件,过冷度越大固液两相的自由能相差更大,液态金属结晶的驱动力也更大,结晶速度也越快。2、 何谓热力学能障和动力学能障?凝固过程是如何克服这两个能障的?热力学能障由被迫处于高自由能过渡状态下的界面原子所产生,能直接影响到体系自由能的
13、大小,界面自由能即属于这种情况。动力学能障由金属原子穿越界面过程所引起,原则上与驱动力的大小无关而仅取决于界面的结构与性质,激活自由能即属于这种情况。热力学能障对生核过程影响很大,动力学能障在晶体生长过程中则具有重要的作用。液态金属凝固过程中必须克服热力学和动力学两个能障。液态金属在成分、温度、能量上是不均匀的,即存在成分、相结构和能量三个起伏,也正是这三个起伏才能克服凝固过程中的热力学能障和动力学能障,使凝固过程不断地进行下去。3、 假设液体金属在凝固时形成的临界核心是边长为a*立方体形状;(1)求均质形核时的a*与?G*的关系式。(2)证明在相同过冷度下均质形核时,球形晶核较立方形晶核更容
14、易形成。解:( 1)对于立方形晶核:32CL6VGaGa方令:0d Gda方则有:2CL3120VaGa,其临界晶核尺寸为:名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页,共 17 页 - - - - - - - - - 7 *CL4VaG,由此可得:*CL4VaG,代入,则得方形晶核的临界形核功 G方*与边长 a*的关系式为:*2*3*2642VVVaGaGGaGa方(2)对于球形晶核:*32CL443VGrGr球球形临界晶核半径:*CL2VrG,则有:*2*23VrGG球
15、,所以:*2*2*62123VVaGrGGG方球因此,球形晶核较立方形晶核更易形成。4、 假设?H、?S 与温度无关,试证明金属在熔点上不可能凝固。5、 熔化熵与液固界面结构有什么关系?=Sm/8.31 2, 熔化熵小,粗糙表面。3 熔化熵大,平整表面。6、 已知 Ni 的 Tm=1453, L=-1870J/mol,LC=2.25 10-5J/cm2,摩尔体积为6.6cm3,设最大过冷度为319,求 ?G均*,r均*。解:*232532*17CLm22222162(2.25 10)1453 2736.95 10 J33(1870 6.6)319VrGTGLT均()名师资料总结 - - -精品
16、资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页,共 17 页 - - - - - - - - - 8 5*9CLm22(2.25 10)1453 2738.59 10 m(1870 6.6) 319TrL T均()7、 什么样的界面才能成为异质结晶核心的基底?从理论上来说, 如果界面与金属液润湿,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。完全共
17、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。8、 固液界面结构对应的晶体生长方式和生长速度如何?垂直生长侧向生长9、 共晶两相的的液固界面结构对共晶生长形态有什么影响?共生生长:两相彼此紧密相连,相互依赖生长,两相前方液体区域有溶质运动。离异生长: 共晶两相没有共同的生长界面,各自以不同速度独立生长。两相析出时间和空间是分离的。分为“晕圈型”和“晶间偏析型”。10、阐述影响晶体生长的因素。温度、粘度、结晶速度、杂质、涡流11、固-液界面结构达到稳定的条件是什么?固液界面结构稳定时须使体系满足自由能最小,对应于界面能最小,具体说来, 当2 时,表面层内沉
18、积50%个左右的原子时,固液界面能达最小值,即此时粗糙界面是稳定的;当 3 时,表面层内只有少数点阵位置被占据或是绝大部分位置被占据后而仅留下少量空位,即此时光滑界面是稳定的。12、阐述粗糙界面与平整界面间的关系。粗糙界面:固相一侧的点阵位置只有约50%被固相原子所占据,形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面结构,也称“非小平面”。光滑界面: 界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子所占满,只留下少数空位或台阶,从而形成整体上平整光滑的界面结构。关系:原子尺度上的界面差别。13、液态金属结晶的热力学条件是什么?结晶过程中金属原子要达到一个稳定的状态,必须经过一个自由能更高的中间过渡状态,相变势垒。 由于
19、不能使系统的自由能过高,系统用起伏作用为相变提供了可能。在存在相变驱动力的前提下,液态金属的结晶需要通过起伏作用克服热力学障碍和动力学障碍,并名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页,共 17 页 - - - - - - - - - 9 能过形核和生长方式而实现转变。14、均匀形核与非均匀形核的差别是什么?均匀形核在均匀熔体中形核,在熔体各处概率相同,热力学能障较大,所需的驱动力也较大。均匀形核是对纯金属而言的。非均匀形核在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型壁界面提供的衬底
20、表面进行形核。发生在外来界面处, 因此热力学能障比较小,所需的驱动力也较小。实际液态金属中的形核过程中一般是非均匀形核。单向合金与多相合金的凝固:1、 设相图中液相线与固相线为直线,证明平衡分配系数为常数。2、 分别推导合金在平衡凝固和固相中无扩散、液相完全混合条件下凝固时,固-液界面处的液相温度TL*与固相质量分数 fs的关系。固无扩,液相混:cs*fs+cl*fl=c0, fs+fl=1, (cs-cl)dfs=fl*dcl得到 cs=k0c0(1-fs)(k0-1) 3、 分析溶质在固相中无扩散、液相中只有扩散条件下的溶质再分配过程。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - -
21、- - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页,共 17 页 - - - - - - - - - 10 4、 Al-Cu 相图的主要参数为CE=33%Cu, Cs=5.65%Cu, Tm=660,TE=548。用 Al-1%Cu合金浇一细长圆棒,使其从左到右单向凝固,冷却速度足以保持固-液界面为平界面,当固相无Cu扩散,液相中 Cu充分混合时,求:(1)凝固 10% 时,固 -液界面的 Cs*和 CL*。(2)凝固完毕时,共晶体所占的比例。(3)画出沿试棒长度方向Cu的分布曲线图,并标明各特征值。5、 试述成分过冷与热过冷的含义
22、以及它们之间的区别与联系?由熔体实际温度分布所决定的过冷状态称为热过冷;由溶质再分配导致界面前方熔体成分及其凝固稳定发生变化而引起的过冷称为成分过冷。热过冷与成分过冷之间的根本区别是前者仅受传热过程控制,而后者则同时受传热过程和传质过程制约, 但其实在晶体生长过程中,界面前方的热过冷只不过是成分过冷在C0=0 时的一个特例,两者在本质上是一致的。6、 什么是温度过冷?什么是成分过冷?各自对固液界面形态有什么影响?在纯金属凝固中,结晶温度固定,因而其过冷状态仅与界面前方的局部温度分布有关。这种由熔体实际温度分布所决定的过冷状态称为温度过冷。对于一般单相合金,结晶过程中产生溶质再分配,过冷状态由界
23、面前方熔体的实际温度和熔体液相线温度共同决定。这种由溶质再分配导致的界面前方熔炉体成分及其凝固温度发生变化而引起的过冷称为成分过冷。7、何谓成分过冷判据?成分过冷的大小受哪些因素的影响?成分过冷对晶体的生长方式有何影响?成分过冷值及成分过冷区宽度既取决于凝固过程中的工艺条件GL 与 R,也与合金本身性质C0,K0,m 及 DL 有关,其中R、C0、m 越大, GL、DL 越小, k0 偏离1 越远,则成分过冷值越大,过冷区越宽。无成分过冷时,界面以平面生长方式长大;随成分过冷的出现及增大, 界面生长方式将逐步转变为胞状生长,然后过渡为枝晶生长;当成分过冷继续增大,合金的宏观结晶状态将由柱状枝晶
24、的外生生长到等轴晶的内生生长转变。8、 影响枝晶间距的主要因素是什么?枝晶间距与材质的质量有何关系?决定枝晶间距的首要因素是GL 与 R,晶体某处液相温度梯度越高,生长速度越快,则枝晶间距就越小。 枝晶间距越小,组织就细密, 分布于其间的元素偏析范围就越小,铸件越容易经过热处理而均匀化且显微缩松和非金属夹杂物也更加细小分散,越有利于提高性能。9、 共晶结晶中,满足共生生长和离异生长的基本条件是什么?共晶两相的固-液界面结构与其共生区结构特点之间有何联系?它们对共晶合金的结晶方式有何影响?(1)共生生长的基本条件:a. 共晶两相应有相近的析出能力,后析出相易于在领先相得表面生核,从而便名师资料总
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