材料成型基本原理課后答案(已修改)

　

【正文】 第一章習題1 . 液體與固體及氣體比較各有哪些異同點？哪些現象說明金屬的熔化并不是原子間結合力的全部破壞？答：（1）液體與固體及氣體比較的異同點可用下表說明相同點不同點液體具有自由表面；可壓縮性很低具有流動性，不能承受切應力；遠程無序，近程有序固體不具有流動性，可承受切應力；遠程有序液體完全占據容器空間并取得容器內腔形狀；具有流動性遠程無序，近程有序；有自由表面；可壓縮性很低氣體完全無序；無自由表面；具有很高的壓縮性（2）金屬的熔化不是并不是原子間結合力的全部破壞可從以下二個方面說明：① 物質熔化時體積變化、熵變及焓變一般都不大。金屬熔化時典型的體積變化Vm/V為3%~5%左右，表明液體的原子間距接近于固體，在熔點附近其系統混亂度只是稍大于固體而遠小于氣體的混亂度。② 金屬熔化潛熱Hm約為氣化潛熱Hb的1/15~1/30，表明熔化時其內部原子結合鍵只有部分被破壞。由此可見，金屬的熔化并不是原子間結合鍵的全部破壞，液體金屬內原子的局域分布仍具有一定的規律性。2 . 如何理解偶分布函數g(r) 的物理意義？液體的配位數N1 、平均原子間距r1各表示什么？答：分布函數g(r) 的物理意義：距某一參考粒子r處找到另一個粒子的幾率，換言之，表示離開參考原子(處于坐標原子r=0)距離為r的位置的數密度ρ(r)對于平均數密度ρo（=N/V）的相對偏差。 N1 表示參考原子周圍最近鄰(即第一殼層)原子數。 r1 表示參考原子與其周圍第一配位層各原子的平均原子間距，也表示某液體的平均原子間距。3． 如何認識液態金屬結構的“長程無序”和“近程有序”？試舉幾個實驗例證說明液態金屬或合金結構的近程有序（包括拓撲短程序和化學短程序）。答：（1）長程無序是指液體的原子分布相對于周期有序的晶態固體是不規則的，液體結構宏觀上不具備平移、對稱性。近程有序是指相對于完全無序的氣體，液體中存在著許多不?！坝问帯敝木钟蛴行虻脑蛹瘓F（2）說明液態金屬或合金結構的近程有序的實驗例證① 偶分布函數的特征對于氣體，由于其粒子（分子或原子）的統計分布的均勻性，其偶分布函數g(r)在任何位置均相等，呈一條直線g(r)=1。晶態固體因原子以特定方式周期排列，其g(r)以相應的規律呈分立的若干尖銳峰。而液體的g(r)出現若干漸衰的鈍化峰直至幾個原子間距后趨于直線g(r)=1，表明液體存在短程有序的局域范圍，其半徑只有幾個原子間距大小。② 從金屬熔化過程看物質熔化時體積變化、熵變及焓變一般都不大。金屬熔化時典型的體積變化Vm/V為3%~5%左右，表明液體的原子間距接近于固體，在熔點附近其系統混亂度只是稍大于固體而遠小于氣體的混亂度。另一方面，金屬熔化潛熱Hm約為氣化潛熱Hb的1/15~1/30，表明熔化時其內部原子結合鍵只有部分被破壞。由此可見，金屬的熔化并不是原子間結合鍵的全部破壞，液體金屬內原子的局域分布仍具有一定的規律性?？梢哉f，在熔點（或液相線）附近，液態金屬（或合金）的原子集團內短程結構類似于固體。③ Richter等人利用X衍射、中子及電子衍射手段，對堿金屬、Au、Ag、Pb和Tl等熔體進行了十多年的系統研究，認為液體中存在著拓撲球狀密排結構以及層狀結構，它們的尺寸范圍約為106107cm。④ Reichert觀察到液態Pb局域結構的五重對稱性及二十面體的存在，并推測二十面體存在于所有的單組元簡單液體。⑤ 在LiPb、CsAu、MgBi、MgZn、MgSn、CuTi、CuSn、 AlMg、AlFe等固態具有金屬間化合物的二元熔體中均被發現有化學短程序的存在。4．如何理解實際液態金屬結構及其三種“起伏”特征？答：理想純金屬是不存在的，即使非常純的實際金屬中總存在著大量雜質原子。實際金屬和合金的液體由大量時聚時散、此起彼伏游動著的原子團簇、空穴所組成，同時也含有各種固態、液態或氣態雜質或化合物，而且還表現出能量、結構及濃度三種起伏特征，其結構相當復雜。能量起伏是指液態金屬中處于熱運動的原子能量有高有低，同一原子的能量也在隨時間不停地變化，時高時低的現象。結構起伏是指液態金屬中大量不?！坝蝿印敝脑訄F簇不斷地分化組合，由于“能量起伏”，一部分金屬原子（離子）從某個團簇中分化出去，同時又會有另一些原子組合到該團簇中，此起彼伏，不斷發生著這樣的漲落過程，似乎原子團簇本身在“游動”一樣，團簇的尺寸及其內部原子數量都隨時間和空間發生著改變的現象。濃度起伏是指在多組元液態金屬中，由于同種元素及不同元素之間的原子間結合力存在差別，結合力較強的原子容易聚集在一起，把別的原于排擠到別處，表現為游動原子團簇之間存在著成分差異，而且這種局域成分的不均勻性隨原子熱運動在不時發生著變化的現象。5. 根據圖110及式（17）說明為動力學粘度η的物理意義，并討論液體粘度η（內摩擦阻力）與液體的原子間結合力之間的關系。 答：物理意義：作用于液體表面的應力τ大小與垂直于該平面方向上的速度梯度dVX/dy的比例系數。 通常液體的粘度表達式為。這里為Bolzmann常數，U為無外力作用時原子之間的結合能（或原子擴散勢壘），C為常數，T為熱力學溫度。根據此式，液體的粘度η隨結合能U按指數關系增加，這可以理解為，液體的原子之間結合力越大，則內摩擦阻力越大，粘度也就越高。6． 總結溫度、原子間距（或體積）、合金元素或微量元素對液體粘度η高低的影響。答：η與溫度T的關系受兩方面（正比的線性及負的指數關系）所共同制約，但總的趨勢隨溫度T而下降。粘度隨原子間距δ增大而降低，與成反比。合金組元或微量元素對合金液粘度的影響比較復雜。許多研究者曾嘗試描述二元合金液的粘度規律，其中MH（MoelwynHughes）模型為： （19） 式中ηηXX2 分別為純溶劑和溶質的粘度及各自在溶液中的mole分數，R為氣體常數，Hm 為兩組元的混合熱。按 MH模型，如果混合熱Hm為負值，合金元素的增加會使合金液的粘度上升。根據熱力學原理，Hm為負值表明異類原子間結合力大于同類原子，因此摩擦阻力及粘度隨之提高。MH模型得到了一些實驗結果的驗證。當溶質與溶劑在固態形成金屬間化合物，由于合金液中存在異類原子間較強的化學結合鍵，合金液的粘度將會明顯高于純溶劑金屬液的粘度。當合金液中存在表面及界面活性微量元素（如AlSi合金變質元素Na）時，由于冷卻過程中微量元素抑制原子集團的聚集長大，將阻礙金屬液粘度的上升。通常，表面活性元素使液體粘度降低，非表面活性雜質的存在使粘度提高。7．過共析鋼液η=﹒S，鋼液的密度為7000kg/m3，表面張力為1500mN/m，加鋁脫氧，生成密度為5400 kg/m3的Al2O3 ，如能使Al2O3顆粒上浮到鋼液表面就能獲得質量較好的鋼。假如脫氧產物在1524mm深處生成，試確定鋼液脫氧后2min上浮到鋼液表面的Al2O3最小顆粒的尺寸。答： 根據流體力學的斯托克斯公式：，式中：為夾雜物和氣泡的上浮速度，r為氣泡或夾雜的半徑，ρm為液體合金密度，ρB為夾雜或氣泡密度，g為重力加速度。m分析物質表面張力產生的原因以及與物質原子間結合力的關系。答：表面張力是由于物體在表面上的質點受力不均所造成。由于液體或固體的表面原子受內部的作用力較大，而朝著氣體的方向受力較小，這種受力不均引起表面原子的勢能比內部原子的勢能高。因此，物體傾向于減小其表面積而產生表面張力。原子間結合力越大，表面內能越大，表面張力也就越大。但表面張力的影響因素不僅僅只是原子間結合力，與上述論點相反的例子大量存在。研究發現有些熔點高的物質，其表面張力卻比熔點低的物質低，如Mg與Zn同樣都是二價金屬，Mg的熔點為650℃，Zn的熔點為420℃，但Mg的表面張力為559mN/m；Zn的表面張力卻為782mN/m。此外，還發現金屬的表面張力往往比非金屬大幾十倍，而比鹽類大幾倍。這說明單靠原子間的結合力是不能解釋一切問題的。對于金屬來說，還應當從它具有自由電子這一特性去考慮。9． 表面張力與界面張力有何異同點？界面張力與界面兩側（兩相）質點間結合力的大小有何關系？答：界面張力與界面自由能的關系相當于表面張力與表面自由能的關系，即界面張力與界面自由能的大小和單位也都相同。表面與界面的差別在于后者泛指兩相之間的交界面，而前者特指液體或固體與氣體之間的交界面，但更嚴格說，應該是指液體或固體與其蒸汽的界面。廣義上說，物體（液體或固體）與氣相之間的界面能和界面張力為物體的表面能和表面張力。當兩個相共同組成一個界面時，其界面張力的大小與界面兩側（兩相）質點間結合力的大小成反比，兩相質點間結合力越大，界面能越小，界面張力就越小；兩相間結合力小，界面張力就大。相反，同一金屬（或合金）液固之間，由于兩者容易結合，界面張力就小。10．液態金屬的表面張力有哪些影響因素？試總結它們的規律。答：液態金屬的表面張力的影響因素有：（1）原子間結合力原子間結合力越大，表面內能越大，表面張力也就越大。但表面張力的影響因素不僅僅只是原子間結合力，研究發現有些熔點高的物質，其表面張力卻比熔點低的物質低。此外，還發現金屬的表面張力往往比非金屬大幾十倍，而比鹽類大幾倍。這說明單靠原子間的結合力是不能解釋一切問題的。對于金屬來說，還應當從它具有自由電子這一特性去考慮。（2）溫度液態金屬表面張力通常隨溫度升高而下降，因為原子間距隨溫度升高而增大。（3）合金元素或微量雜質元素合金元素或微量雜質元素對表面張力的影響，主要取決于原子間結合力的改變。向系統中加入削弱原子間結合力的組元，會使表面張力減小，使表面內能降低，這樣，將會使表面張力降低。合金元素對表面張力的影響還體現在溶質與溶劑原子體積之差。當溶質的原子體積大于溶劑原子體積，由于造成原子排布的畸變而使勢能增加，所以傾向于被排擠到表面，以降低整個系統的能量。這些富集在表面層的元素，由于其本身的原子體積大，表面張力低，從而使整個系統的表面張力降低。原子體積很小的元素，如O、S、N等，在金屬中容易進入到熔劑的間隙使勢能增加，從而被排擠到金屬表面，成為富集在表面的表面活性物質。由于這些元素的金屬性很弱，自由電子很少，因此表面張力小，同樣使金屬的表面張力降低。（4）溶質元素的自由電子數目大凡自由電子數目多的溶質元素，由于其表面雙電層的電荷密度大，從而造成對金屬表面壓力大，而使整個系統的表面張力增加?；衔锉砻鎻埩χ暂^低，就是由于其自由電子較少的緣故。11． 設凝固后期枝晶間液體相互隔絕，103Mpa，106mm，根據液膜理論計算產生熱裂的液態金屬臨界表面張力。答：= f T/2=12． 試述液態金屬充型能力與流動性間的聯系和區別，并分析合金成分及結晶潛熱對充型能力的影響規律。答：(1) 液態金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力，即液態金屬充填鑄型的能力，簡稱為液態金屬充型能力。液態金屬本身的流動能力稱為“流動性”，是液態金屬的工藝性能之一。液態金屬的充型能力首先取決于金屬本身的流動能力，同時又受外界條件，如鑄型性質、澆注條件、鑄件結構等因素的影響，是各種因素的綜合反映。在工程應用及研究中，通常，在相同的條件下（如相同的鑄型性質、澆注系統，以及澆注時控制合金液相同過熱度，等等）澆注各種合金的流動性試樣，以試樣的長度表示該合金的流動性，并以所測得的合金流動性表示合金的充型能力。因此可以認為：合金的流動性是在確定條件下的充型能力。對于同一種合金，也可以用流動性試樣研究各鑄造工藝因素對其充型能力的影響。(2) 合金的化學成分決定了結晶溫度范圍，與流動性之間存在一定的規律。一般而言，在流動性曲線上，對應著純金屬、共晶成分和金屬間化合物之處流動性最好，流動性隨著結晶溫度范圍的增大而下降，在結晶溫度范圍最大處流動性最差，也就是說充型能力隨著結晶溫度范圍的增大而越來越差。因為對于純金屬、共晶和金屬間化合物成分的合金，在固定的凝固溫度下，已凝固的固相層由表面逐步向內部推進，固相層內表面比較光滑，對液體的流動阻力小，合金液流動時間長，所以流動性好，充型能力強。而具有寬結晶溫度范圍的合金在型腔中流動時，斷面上存在著發達的樹枝晶與未凝固的液體相混雜的兩相區，金屬液流動性不好，充型能力差。(3)對于純金屬、共晶和金屬間化合物成分的合金，在一般的澆注條件下，放出的潛熱越多，凝固過程進行的越慢，流動性越好，充型能力越強；而對于寬結晶溫度范圍的合金，由于潛熱放出15~20%以后，晶粒就連成網絡而停止流動，潛熱對充型能力影響不大。但也有例外的情況，由于Si晶體結晶潛熱為αAl的4倍以上，AlSi合金由于潛熱的影響，最好流動性并不在共晶成分處。13． 某飛機制造廠的一牌號AlMg合金（成分確定）機翼因鑄造常出現“澆不足”缺陷而報廢，如果你是該廠工程師，請問可采取哪些工藝措施來提高成品率？答：機翼鑄造常出現“澆不足”缺陷可能是由金屬液的充型能力不足造成的，可采取以下工藝提高成品率：（1）使用小蓄熱系數的鑄型來提高金屬液的充型能力；采用預熱鑄型，減小金屬與鑄型的溫差，提高金屬液充型能力。（2）提高澆注溫度，加大充型壓頭，可以提高金屬液的充型能力。（3）改善澆注系統，提高金屬液的充型能力。第二章習題解答1. 已知某半無限大板狀鑄鋼件的熱物性參數為：導熱系數λ= W/(mK)， 比熱容C= J/(kgK)， 密度ρ=7850 kg/m3，取澆鑄溫度為1570℃，鑄型的初始溫度為20℃。 用描點作圖法繪出該鑄件在砂型和金屬型鑄模（鑄型壁均足夠厚）、。鑄型的有關熱物性參數見表22。 解：（1）砂型： =12965 =639界面溫度： =1497℃鑄件的熱擴散率： =180。105 m2/s 根據公式 分別計算出兩種時刻鑄件中的溫度分布狀況見表1。表1 鑄件在砂