材料成形原理課后習題解答

1、材料成型原理材料成型原理第一章（第二章的內(nèi)容）第一部分：液態(tài)金屬凝固學1.1 答：（1）純金屬的液態(tài)結構是由原子集團、游離原子、空穴或裂紋組成。原子集團的空穴或裂紋內(nèi)分布著排列無規(guī)則的游離的原子，這樣的結構處于瞬息萬變的狀態(tài)，液體內(nèi)部存在著能量起伏。（2）實際的液態(tài)合金是由各種成分的原子集團、游離原子、空穴、裂紋、雜質氣泡組成的魚目混珠的“混濁”液體，也就是說，實際的液態(tài)合金除了存在能量起伏外，還存在結構起伏。1.2 答： 液態(tài)金屬的表面張力是界面張力的一個特例。表面張力對應于液氣的交界面，而界面張力對應于固液、液氣、固固、固氣、液液、氣氣的交界面。表面張力和界面張力的關系如（1）2/r,因表

2、面張力而長生的曲面為球面時，r為球面的半徑；（2）（1/r1+1/r2）,式中r1、r2分別為曲面的曲率半徑。 附加壓力是因為液面彎曲后由表面張力引起的。1.3答： 液態(tài)金屬的流動性和沖型能力都是影響成形產(chǎn)品質量的因素；不同點：流動性是確定條件下的沖型能力，它是液態(tài)金屬本身的流動能力，由液態(tài)合金的成分、溫度、雜質含量決定，與外界因素無關。而沖型能力首先取決于流動性，同時又與鑄件結構、澆注條件及鑄型等條件有關。提高液態(tài)金屬的沖型能力的措施：（1）金屬性質方面：改善合金成分；結晶潛熱L要大；比熱、密度、導熱系大;粘度、表面張力大。（2）鑄型性質方面：蓄熱系數(shù)大；適當提高鑄型溫度；提高透氣性。（3）

3、澆注條件方面：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。1.4 解： 澆注模型如下： 則產(chǎn)生機械粘砂的臨界壓力 2/r顯然 r0.1cm0.05cm則 6000Pa不產(chǎn)生機械粘砂所允許的壓頭為H/（液*g）0.08m1.5 解： 由Stokes公式上浮速度 r為球形雜質半徑，1為液態(tài)金屬重度，2為雜質重度，為液態(tài)金屬粘度1g*液10*7500750002g2*MnO10*540054000所以上浮速度 v9.5mm/s3.1解：（1）對于立方形晶核 G方a3Gv+6a2令dG方/da0 即 3a2Gv+12a0，則臨界晶核尺寸a*4

4、/Gv，得Gv，代入G方*a*3Gv6 a*2Gv a*2Gv均質形核時a*和G方*關系式為：G方* a*3Gv（2）對于球形晶核G球*r*3Gv+4r*2臨界晶核半徑r*2/Gv，則G球*r*3Gv所以G球*/G方*r*3Gv/( a*3Gv)將r*2/Gv，a*4/Gv代入上式，得G球*/G方*/61，即G球*0時，晶體生長以平面方式生長；如果GL0，晶體以樹枝晶方式生長。4.1答： 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(shù)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

5、的熱物性參數(shù)隨溫度變化較快。4.2答：鑄件凝固時間t,R為折算厚度，K為凝固系數(shù)，又由于R，在相同體積的條件下，立方體。等邊圓柱和球三者中，球的表面積最小，所以球的折算厚度R最大，則球形冒口的凝固時間t最大，最有利于補縮。4.3解： 焊接熔池的特征：（1）熔池體積??；（2）熔池溫度高；（3）熔池金屬處于流動狀態(tài)；（4）熔池界面的導熱條件好，焊接熔池周圍的母材與熔池間沒有間隙。焊接熔池對凝固過程的影響：(1)母材作為新相晶核的基底，使新相形核所需能量小，出現(xiàn)非均勻形核，產(chǎn)生聯(lián)生結晶（外延結晶）；(2)熔池金屬是在運動狀態(tài)凝固的，焊縫的柱狀晶總是朝向焊接方向并且向焊縫中心生長，即對向生長；(3)焊

6、接熔池的實際凝固過程并不是連續(xù)的，柱狀晶的生長速度變化不是十分有規(guī)律。 4.4解：溶質再分配：合金凝固時液相內(nèi)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。影響溶質再分配的因素有熱力學條件和動力學條件。4.5解：設液相線和固相線的斜率分別為和， 如上圖：液相線：T*Tm (Cl*-0) 固相線：T*Tm (Cs*-0) 得：1即 k0由于、均為常數(shù)，故k0Const.4.5解： （1）溶質分配系數(shù) k0=0.171 當10時，有 0.171*1*（110）0.1871.09（2）設共晶體所占的比例為，則 則0.12（1） 沿試棒的長度方向Cu的分

7、布曲線圖如下：5.1答：金屬凝固時，完全由熱擴散控制，這樣的過冷稱為熱過冷；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(chǎn)生了一個附加溫度差T，即成分過冷度，這也是凝固的動力。5.2答： 影響成分過冷的因素有G、v、DL、m、k0、C0，可控制的工藝因素為DL。 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?yōu)橹鶢罹?、柱狀樹枝晶和自由樹枝晶，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。5.3答：影響成分過冷范圍的因素有：成分過冷的條件為 PA,所以A點先屈服，即圓筒部分先屈服。 （2）屈服時，且 則 根據(jù)，得 ， 且 又有等效應變增量： 即， 對應的應變增量張量為：7 解： r方向的靜力平衡方程 假設