1、材料成形理論基礎習題1、純金屬和實際合金的液態結構有何不同？舉例說明答：純金屬的液態結構式由原子集團、游離原子和空穴組成的，液態金屬的結構是不穩定的，而是出于瞬息萬變是的狀態，即原子集團、空穴等的大小、形態、分布及熱運動都出于無時無刻不在變化的狀態，這種現象叫做“結構起伏”。而實際合金的液態結構是極其復雜的，其中包含各種化學成分的原子集團、游離原子、空穴、夾雜物及氣泡等，是一種“混濁”的液體。實驗實際液態金屬中還存在成分起伏。例如Al和Al-Si合金相比較，Al-Si合金中由于成分起伏Al與Si的濃度也是出于不斷變化中的。2、液態金屬表面張力和界面張力有何不同？表面張力和附加壓力有何關系？答：

2、液體金屬的表面張力是質點（分子、原子）間作用力不平衡引起的。而任意兩相（固-固、固-液、固-氣）的交界面稱為界面，由界面間相互作用而產生的力叫界面張力，表面張力可說是界面張力的一個特例。界面張力與兩個表面張力之間的關系為：OAB=（TA+ffB業AB,其中（TA、OB分別是A、B兩物體的表面張力，WAB為兩個單位面積界面向外做的功。表面張力與附加壓力的關系有拉普拉斯方程描述：Ap,i,i）,其中Ri、R2為曲面的曲率半>=o-+r）12徑。3、液態合金的流動性和充型能力有何不同？如何提高液態金屬的充型能力？答：液態金屬本身的流動能力稱為“流動性”，是由液態金屬的成分、溫度、雜質含量等決定

3、的，而與外界因素無關。液態金屬的充型性能是一種基本性能。充型能力好，零件的形狀就完整，輪廓清晰，否則就會產生“澆不足”的缺陷。液態金屬的充型能力首先取決于其金屬本身的流動能力，同時又與鑄件結構、澆注條件及鑄型等條件有關，是各種因素的綜合反映。提高金屬的充型能力措施：（1）金屬性質方面：改善合金成分；結晶潛熱L要大；比熱、密度大，導熱率小；粘度、表面張力小。（2）鑄型性質方面：蓄熱系數小；適當提高鑄型溫度；提高透氣性。（3）澆注條件方面：適當提高澆注溫度；提高澆注壓力。（4）鑄件結構方面：在保證質量的前提下盡可能減小鑄件厚度；降低結構復雜程度。4、鋼液對鑄型不浸潤，8=180;鑄型砂粒間的間隙為

4、0.1cm,鋼液在1520c時的表面張力b=1.5N/m,3號度p?«=7500kg/mo求廣生績效粘砂的臨界壓力；欲使鋼披不粘入鑄型而廣生機械粘砂，所允許的壓頭H值是多少?2021.53P=2=610PaR0.1-：-21020cos1H=二gr21.5cos1800275009.80.1-210-=0.082m5、根據Stokes公式計算鋼液中非金屬夾雜物MnO的上浮速度，已知鋼液溫度為1500C,33-30=0.0049Ns/m,P液=7500kg/m,PMnO=5400kg/m,MnO呈球形，其半徑r=0.1mm。2zx26一2r(P液-pMn°)g2M0.1X10

5、-(75004500)x9.81=0.0071m/s990.00496、設想液體在凝固時形成的臨界核心是邊長為a*的立方體形狀；求均質形核是的a*和G的關系式。證明在相同過冷度下均質形核時，球形晶核較立方形晶核更易形成。32解：(1)對于立萬形晶核工方=aZGv+6a令dGG方/da=0即一3a2AGv+12ab=0,則*2a*臨界晶核尺寸a=4o/z2Gv,得b=工v,代入4工方*=-a*3ZGv+6a*2a*1*2ZGv=-agv*3a3ZGv1均質形核時a和AG方關系式為：*G方=一24*3*2(2)對于球形晶核G球=一一兀ZGv+4uro-3臨界晶核半徑r=2"ZGv,則AG

6、球=一兀ZGv3所以4G球*/AG方*=-Ttr*3AGv/(1a*3AGv)將r*=2H&v,a*=4Hgv代入上式，得AG球*/工方*=兀/6<1,即4G球*<GG方*所以球形晶核較立方形晶核更易形成7、設Ni的最大過冷度為319C,求4G*均和*均，已知，Tm=1453C,L=-1870J/mol,(rLC=2.25X105J/cm2,摩爾體積為6.6cm2。*2*2.25*10*(1453+273)9r均=(2m"L)*(Tm/夕)=cm=8.59*10m1870*3196.6q均*=16兀產3*Tm/(L2*寸)31635. .43,_、2=6.95*1

7、017J(2.25*10*10)*(1453+273)兀*187062(*106)*3196.68、什么樣的界面才能成為異質結晶核心的基底?從理論上來說，如果界面與金屬液是潤濕得，則這樣的界面就可以成為異質形核的基底，否則就不行。但潤濕角難于測定，可根據夾雜物的晶體結構來確定。當界面兩側夾雜和晶核的原子排列方式相似，原子間距離相近，或在一定范圍內成比例，就可以實現界面共格相應。安全共格或部分共格的界面就可以成為異質形核的基底，完全不共格的界面就不能成為異質形核的基底。9、闡述影響晶體生長的因素。晶核生長的方式由固液界面前方的溫度剃度GL決定，當GL>0時，晶體生長以平面方式生長；如果GL

8、<0,晶體以樹枝晶方式生長。10、用Chvorinov公式計算凝固時間時，誤差來源于哪幾個方面？半徑相同的圓柱和球體哪個誤差大？大鑄型和小鑄型哪個誤差大？金屬型和砂型哪個誤差大？用Chvorinov公式計算凝固時間時，誤差來源于鑄件的形狀、鑄件結構、熱物理參數澆注條件等方面。半徑相同的圓柱和球體比較，前者的誤差大；大鑄件和小鑄件比較，后者誤差大；金屬型和砂型比較,后者誤差大，因為后者的熱物性參數隨溫度變化較快。11、何謂凝固過程的溶質再分配？它受哪些因素的影響?溶質再分配：合金凝固時液相內的溶質一部分進入固相，另一部分進入液相，溶質傳輸使溶質在固-液界面兩側的固相和液相中進行再分配。影響

9、溶質再分配的因素有熱力學條件和動力學條件。12、設狀態圖中液相線和固相線為直線，證明平衡常數ko=Consto設液相線和固相線的斜率分別為mL和mS,如上圖:*放相線：T-Tm=mL(C-0)*固相線：TTm=mS(Cs*-0)+得:*T-Tm*TTm*msCs*ElCl*Cs*ClmL=koms由于mL、ms均為常數，故ko=Const.13、Al-Cu相圖的主要參數為CE=33%CuCsm=5.65%Tm=660C,TE=548C。用Al-1%Cu合金澆注一細長試樣，使其從左至右單向凝固，冷卻速度足以保持固-液界面為平界面，當固相無Cu擴散，液相中Cu充分混合時，求:凝固10%寸，固液界面

10、的Cs*禾Cl*。共晶體所占比例。畫出沿試棒長度方向Cu的分布曲線，并標明各特征值。(1)溶質分配系數k0=CAnQm/65%=0.171ClCe33%當fs=10%時，有0.1711Cs*=k0C0(1fs)k01=0.171*1%*(110%)=0.187%*Clk01C0fL0Csk00.00187“-1.09%0.171(2)設共晶體所占的比例為fL,則*1,，Cl=C0fL0=Ce_11CL33%則fL=(上)k0T=(33%)0.=0.12Co5.65%(3)沿試棒的長度方向Cu的分布曲線圖如下:14、何謂熱過冷和成分過冷？成分過冷的本質是什么？金屬凝固時，完全由熱擴散控制，這樣的

11、過冷稱為熱過冷；由固液界面前方溶質再分配引起的過冷稱為成分過冷成分過冷的本質：由于固液界面前方溶質富集而引起溶質再分配，界面處溶質含量最高，離界面越遠,溶質含量越低。由結晶相圖可知，固液界面前方理論凝固溫度降低，實際溫度和理論凝固溫度之間就產生了一個附加溫度差T,即成分過冷度，這也是凝固的動力。15、影響成分過冷的因素有哪些？哪些是屬于可控制的工藝因素？成分過冷對晶體的生長方式有何影響？晶體的生長方式只受成分過冷的影響么？影響成分過冷的因素有Gv、D-mk0、Co,可控制的工藝因素為口。過冷對晶體的生長方式的影響：當稍有成分過冷時為胞狀生長，隨著成分過冷的增大，晶體由胞狀晶變為柱狀晶、柱狀樹枝

12、晶和自由樹枝晶，無成分過冷時，以平面方式或樹枝晶方式生長。晶體的生長方式除受成分過冷影響外，還受熱過冷的影響。16、影響成分過冷的因素有哪些？它對材質或成型產品（鑄件）的質量有何影響？影響成分過冷范圍的因素有：成分過冷的條件Glme”k0）.VDLk0成分過冷的范圍為A=mlC0（1-k。）屋，DLk0v上式中，mL、C0、k0為不變量，所以影響成分過冷范圍的因素只有DL、G和V。對于純金屬和一部分單相合金的凝固，凝固的動力主要是熱過冷，成分過冷范圍對成形產品沒什么大的影響；對于大部分合金的凝固來說，成分過冷范圍越寬，得到成型產品性能越好。17、鑄件典型宏觀凝固組織是由哪幾部分構成的，它們的形

13、成機理如何？鑄件的典型凝固組織為：表面細等軸晶區、中間柱狀晶區、內部等軸晶區。表面細等軸晶的形成機理：非均質形核和大量游離晶粒提供了表面細等軸晶區的晶核，型壁附近產生較大過冷而大量生核，這些晶核迅速長大并且互相接觸，從而形成無方向性的表面細等軸晶區。中間柱狀晶的形成機理：柱狀晶主要從表面細等軸晶區形成并發展而來，穩定的凝固殼層一旦形成處在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的單向熱流的作用下，便轉而以枝晶狀延伸生長。由于擇優生長，在逐漸淘汰掉取向不利的晶體過程中發展成柱狀晶組織。內部等軸晶的形成是由于剩余熔體內部晶核自由生長的結果。18、常用生核劑有哪些種類，其作用條件和機理如何？常用生核劑有以下幾

14、類：1、直接作為外加晶核的生核劑。2、通過與液態金屬中的某元素形成較高熔點的穩定化合物。3、通過在液相中造成很大的微區富集而造成結晶相通過非均質形核而提前彌散析出的生核劑。4、通過在液相中造成很大的微區富集而造成結晶相通過非均質形核而提前彌散析出的生核齊I。含強成份過冷的生核劑作用條件和機理：1類：這種生核劑通常是與欲細化相具有界面共格對應的高熔點物質或同類金屬、非金屬碎粒，他們與欲細化相間具有較小的界面能，潤濕角小，直接作為襯底促進自發形核。2類：生核劑中的元素能與液態金屬中的某元素形成較高熔點的穩定化合物，這些化合物與欲細化相間界面共格關系和較小的界面能，而促進非均質形核。3類：如分類時所

15、述。4類：強成分過冷生核劑通過增加生核率和晶粒數量，降低生長速度而使組織細化。19、試分析影響鑄件宏觀凝固組織的因素，列舉獲得細等軸的常用方法。影響鑄件宏觀凝固組織的因素：液態金屬的成分、鑄型的性質、澆注條件、冷卻條件。獲得細等軸晶的常用方法:(1)向熔體中加入強生核劑。(2)控制澆注條件：a、采用較低的澆注溫度；b、采用合適的澆注(3)鑄型性質和鑄件結構：a、采用金屬型鑄造；b、減小液態金屬與鑄型表面的潤濕角；c、提高鑄型表面粗糙度。(4)動態下結晶細化等軸晶：振動、攪拌、鑄型旋轉等方法。20、何謂“孕育衰退”，如何防止？孕育衰退：大多數孕育劑有效性均與其在液態金屬中的存在時間有關，即存在著

16、隨著時間的延長，孕育效果減弱甚至消失。解決辦法：在保證孕育劑均勻溶解的前提下，應采用較低的孕育處理溫度。21、影響鑄件的縮孔和縮松的因素有哪些？請敘述集中防止鑄件縮孔和縮松的方法。影響縮孔和縮松的因素：(1)影響縮松縮孔大小的因素：金屬的性質、鑄型條件、澆注條件、鑄件尺寸、補縮壓力(2)影響灰鑄鐵和球墨鑄鐵縮孔和縮松的因素：鑄鐵成分、鑄型剛度防止縮松、縮孔的方法：順序凝固、同時凝固控制縮孔和縮松的工藝措施：使用冒口、補貼、冷鐵是防止縮松縮孔的最有效的工藝措施。加壓補縮法是防止產生顯微縮松的有效方法。22、鑄件的偏析有幾種類型，請分類敘述之。微觀偏析(1)晶內偏析：在一個晶粒內出現的成分不均勻現

17、象，常產生于有一定結晶溫度范圍、能夠形成固溶體的合金中。(2)晶界偏析：溶質元素和非金屬夾雜物富集與晶界，使晶界和晶內的化學成分出現差異。它會降低合金的塑性和高溫性能，又會增加熱裂傾向。宏觀偏析:(1)正常偏析：當合金溶質分配系數k<1時，凝固界面的液相中將有一部分被排出，隨著溫度的降低，溶質的濃度將逐漸增加，越是后來Z晶的固相，溶質濃度越高，當k>1時相反。正常偏析存在使鑄件的性能不均勻，在隨后的加工中難以消除。(2)逆偏析：即k<1時，鑄件表面或底部含溶質元素較多，而中心部分或上部分含溶質較少。(3)V形偏析和逆V形偏析：常出現在大型鑄錠中，一般呈錐形，偏析中含有較高的碳以及硫和磷等雜質。(4)帶狀偏析：它總是和凝固的固-液界面相平行。(5)重力偏析：由于重力的作用而出現化學成分不均勻的現象，常產生于金屬凝固前和剛剛開始凝固之際。23、鑄件凝固過程的應力有哪些？按產生的原因可以分為：熱應力、相變應力、機械阻礙應力。24、鑄件冷裂和熱裂的影響因素有哪些，如何防止其發生？鑄件冷裂的影響因素：(1)大型復雜鑄件由于冷卻不均勻，應力狀態復雜，鑄造應力大而易產生冷裂