材料成型基本原理習(xí)題答案第一章答案

1、. 第一章習(xí)題1 . 液體與固體及氣體比較各有哪些異同點(diǎn)？哪些現(xiàn)象說明金屬的熔化并不是原子間結(jié)合力的全部破壞？答：（1）液體與固體及氣體比較的異同點(diǎn)可用下表說明相同點(diǎn)不同點(diǎn)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(yīng)力；遠(yuǎn)程無序，近程有序固體不具有流動性，可承受切應(yīng)力；遠(yuǎn)程有序液體完全占據(jù)容器空間并取得容器內(nèi)腔形狀；具有流動性遠(yuǎn)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(jié)合力的全部破壞可從以下二個(gè)方面說明： 物質(zhì)熔化時(shí)體積變化、熵變及焓變一般都不大。金屬熔化時(shí)典型的體積變化vm/v為3%5%左右，表明液體的原

2、子間距接近于固體，在熔點(diǎn)附近其系統(tǒng)混亂度只是稍大于固體而遠(yuǎn)小于氣體的混亂度。 金屬熔化潛熱hm約為氣化潛熱hb的1/151/30，表明熔化時(shí)其內(nèi)部原子結(jié)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(jié)合鍵的全部破壞，液體金屬內(nèi)原子的局域分布仍具有一定的規(guī)律性。2 . 如何理解偶分布函數(shù)g(r) 的物理意義？液體的配位數(shù)n1 、平均原子間距r1各表示什么？答：分布函數(shù)g(r) 的物理意義：距某一參考粒子r處找到另一個(gè)粒子的幾率，換言之，表示離開參考原子(處于坐標(biāo)原子r=0)距離為r的位置的數(shù)密度(r)對于平均數(shù)密度o（=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(shù)

3、。 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(rèn)識液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的“長程無序”和“近程有序”？試舉幾個(gè)實(shí)驗(yàn)例證說明液態(tài)金屬或合金結(jié)構(gòu)的近程有序（包括拓?fù)涠坛绦蚝突瘜W(xué)短程序）。精品.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(tài)固體是不規(guī)則的，液體結(jié)構(gòu)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停“游蕩”著的局域有序的原子集團(tuán)（2）說明液態(tài)金屬或合金結(jié)構(gòu)的近程有序的實(shí)驗(yàn)例證 偶分布函數(shù)的特征對于氣體，由于其粒子（分子或原子）的統(tǒng)計(jì)分布的均勻性，其偶分布函數(shù)g(r)在任何位置均相等，呈一條直線g(r)=1

4、。晶態(tài)固體因原子以特定方式周期排列，其g(r)以相應(yīng)的規(guī)律呈分立的若干尖銳峰。而液體的g(r)出現(xiàn)若干漸衰的鈍化峰直至幾個(gè)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(gè)原子間距大小。 從金屬熔化過程看物質(zhì)熔化時(shí)體積變化、熵變及焓變一般都不大。金屬熔化時(shí)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(diǎn)附近其系統(tǒng)混亂度只是稍大于固體而遠(yuǎn)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1/151/30，表明熔化時(shí)其內(nèi)部原子結(jié)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(jié)合鍵的全部破壞，液體金屬內(nèi)原子的局域分布仍具有一定的

5、規(guī)律性?？梢哉f，在熔點(diǎn)（或液相線）附近，液態(tài)金屬（或合金）的原子集團(tuán)內(nèi)短程結(jié)構(gòu)類似于固體。 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(jìn)行了十多年的系統(tǒng)研究，認(rèn)為液體中存在著拓?fù)淝驙蠲芘沤Y(jié)構(gòu)以及層狀結(jié)構(gòu)，它們的尺寸范圍約為10-6-10-7cm。 reichert觀察到液態(tài)pb局域結(jié)構(gòu)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。 在li-pb、cs-au、mg-bi、mg-zn、mg-sn、cu-ti、cu-sn、 al-mg、al-fe等固態(tài)具有金屬間化合物的二元熔體中均被發(fā)現(xiàn)有化學(xué)短程序的存在。4如何理解實(shí)際液態(tài)金屬

6、結(jié)構(gòu)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(shí)際金屬中總存在著大量雜質(zhì)原子。實(shí)際金屬和合金的液體由大量時(shí)聚時(shí)散、此起彼伏游動著的原子團(tuán)簇、空穴所組成，同時(shí)也含有各種固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)雜質(zhì)或化合物，而且還表現(xiàn)出能量、結(jié)構(gòu)及濃度三種起伏特征，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。精品.能量起伏是指液態(tài)金屬中處于熱運(yùn)動的原子能量有高有低，同一原子的能量也在隨時(shí)間 不停地變化，時(shí)高時(shí)低的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)起伏是指液態(tài)金屬中大量不?！坝蝿印敝脑訄F(tuán)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(gè)團(tuán)簇中分化出去，同時(shí)又會有另一些原子組合到該團(tuán)簇中，此起彼伏，不斷發(fā)生著這樣的漲落過程，似乎原子團(tuán)簇本身

7、在“游動”一樣，團(tuán)簇的尺寸及其內(nèi)部原子數(shù)量都隨時(shí)間和空間發(fā)生著改變的現(xiàn)象。濃度起伏是指在多組元液態(tài)金屬中，由于同種元素及不同元素之間的原子間結(jié)合力存在差別，結(jié)合力較強(qiáng)的原子容易聚集在一起，把別的原于排擠到別處，表現(xiàn)為游動原子團(tuán)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(yùn)動在不時(shí)發(fā)生著變化的現(xiàn)象。5. 根據(jù)圖1-10及式（1-7）說明為動力學(xué)粘度的物理意義，并討論液體粘度（內(nèi)摩擦阻力）與液體的原子間結(jié)合力之間的關(guān)系。 答：物理意義：作用于液體表面的應(yīng)力大小與垂直于該平面方向上的速度梯度dvx/dy的比例系數(shù)。 通常液體的粘度表達(dá)式為。這里為bolzmann常數(shù)，u為無外力作用時(shí)原子

8、之間的結(jié)合能（或原子擴(kuò)散勢壘），c為常數(shù)，t為熱力學(xué)溫度。根據(jù)此式，液體的粘度隨結(jié)合能u按指數(shù)關(guān)系增加，這可以理解為，液體的原子之間結(jié)合力越大，則內(nèi)摩擦阻力越大，粘度也就越高。6 總結(jié)溫度、原子間距（或體積）、合金元素或微量元素對液體粘度高低的影響。答：與溫度t的關(guān)系受兩方面（正比的線性及負(fù)的指數(shù)關(guān)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(fù)雜。許多研究者曾嘗試描述二元合金液的粘度規(guī)律，其中m-h（moelwyn-hughes）模型為： （1-9） 精品.式中1、2、x1、x2 分別為純?nèi)軇┖腿苜|(zhì)的粘度及各自在溶液中的

9、mole分?jǐn)?shù)，r為氣體常數(shù)，hm 為兩組元的混合熱。按 m-h模型，如果混合熱hm為負(fù)值，合金元素的增加會使合金液的粘度上升。根據(jù)熱力學(xué)原理，hm為負(fù)值表明異類原子間結(jié)合力大于同類原子，因此摩擦阻力及粘度隨之提高。m-h模型得到了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。當(dāng)溶質(zhì)與溶劑在固態(tài)形成金屬間化合物，由于合金液中存在異類原子間較強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合鍵，合金液的粘度將會明顯高于純?nèi)軇┙饘僖旱恼扯?。?dāng)合金液中存在表面及界面活性微量元素（如al-si合金變質(zhì)元素na）時(shí)，由于冷卻過程中微量元素抑制原子集團(tuán)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(zhì)的存在使粘度提高。7過共析鋼液=0.

10、0049pas，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(zhì)量較好的鋼。假如脫氧產(chǎn)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(jù)流體力學(xué)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，m為液體合金密度，b為夾雜或氣泡密度，g為重力加速度。m8. 分析物質(zhì)表面張力產(chǎn)生的原因以及與物質(zhì)原子間結(jié)合力的關(guān)系。答：表面張力是由于物體在表面上的質(zhì)點(diǎn)受力不均所造成。由于液體或固體的表面原子受內(nèi)部的作用力較大，而朝著

11、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(nèi)部原子的勢能高。因此，物體傾向于減小其表面積而產(chǎn)生表面張力。原子間結(jié)合力越大，表面內(nèi)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(jié)合力，與上述論點(diǎn)相反的例子大量存在。研究發(fā)現(xiàn)有些熔點(diǎn)高的物質(zhì)，其表面張力卻比熔點(diǎn)低的物質(zhì)低，如mg與zn同樣都是二價(jià)金屬，mg的熔點(diǎn)為650，zn的熔點(diǎn)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(fā)現(xiàn)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(jié)合力是不能解釋一切問題的。對于金屬來說，還應(yīng)當(dāng)從它具有自由電子這一特性去考慮。精品.

12、9 表面張力與界面張力有何異同點(diǎn)？界面張力與界面兩側(cè)（兩相）質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力的大小有何關(guān)系？答：界面張力與界面自由能的關(guān)系相當(dāng)于表面張力與表面自由能的關(guān)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(yán)格說，應(yīng)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(dāng)兩個(gè)相共同組成一個(gè)界面時(shí)，其界面張力的大小與界面兩側(cè)（兩相）質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力的大小成反比，兩相質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力越大，界面能越小，界面張力就越小；兩相間結(jié)合力小，界面張力就大。相反，同一金屬（或合金

13、）液固之間，由于兩者容易結(jié)合，界面張力就小。10液態(tài)金屬的表面張力有哪些影響因素？試總結(jié)它們的規(guī)律。答：液態(tài)金屬的表面張力的影響因素有：（1）原子間結(jié)合力原子間結(jié)合力越大，表面內(nèi)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(jié)合力，研究發(fā)現(xiàn)有些熔點(diǎn)高的物質(zhì)，其表面張力卻比熔點(diǎn)低的物質(zhì)低。此外，還發(fā)現(xiàn)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(jié)合力是不能解釋一切問題的。對于金屬來說，還應(yīng)當(dāng)從它具有自由電子這一特性去考慮。（2）溫度液態(tài)金屬表面張力通常隨溫度升高而下降，因?yàn)樵娱g距隨溫度升高而增大。（3）合金元素或微量雜質(zhì)元素合金元素或微量雜質(zhì)元素對表面

14、張力的影響，主要取決于原子間結(jié)合力的改變。向系統(tǒng)中加入削弱原子間結(jié)合力的組元，會使表面張力減小，使表面內(nèi)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(xiàn)在溶質(zhì)與溶劑原子體積之差。當(dāng)溶質(zhì)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(gè)系統(tǒng)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(gè)系統(tǒng)的表面張力降低。原子體積很小的元素，如o、s、精品.n等，在金屬中容易進(jìn)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(zhì)。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

15、的表面張力降低。（4）溶質(zhì)元素的自由電子數(shù)目大凡自由電子數(shù)目多的溶質(zhì)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(gè)系統(tǒng)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(shè)凝固后期枝晶間液體相互隔絕，液膜兩側(cè)晶粒的拉應(yīng)力為1.5103mpa，液膜厚度為1.110-6mm，根據(jù)液膜理論計(jì)算產(chǎn)生熱裂的液態(tài)金屬臨界表面張力。答：= f t/2=0.825n/m12 試述液態(tài)金屬充型能力與流動性間的聯(lián)系和區(qū)別，并分析合金成分及結(jié)晶潛熱對充型能力的影響規(guī)律。答：(1) 液態(tài)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(tài)金屬充填鑄型的能力，簡

16、稱為液態(tài)金屬充型能力。液態(tài)金屬本身的流動能力稱為“流動性”，是液態(tài)金屬的工藝性能之一。液態(tài)金屬的充型能力首先取決于金屬本身的流動能力，同時(shí)又受外界條件，如鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等因素的影響，是各種因素的綜合反映。在工程應(yīng)用及研究中，通常，在相同的條件下（如相同的鑄型性質(zhì)、澆注系統(tǒng)，以及澆注時(shí)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(rèn)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(xué)成分決定了結(jié)晶溫度范圍，與流動性

17、之間存在一定的規(guī)律。一般而言，在流動性曲線上，對應(yīng)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(jié)晶溫度范圍的增大而下降，在結(jié)晶溫度范圍最大處流動性最差，也就是說充型能力隨著結(jié)晶溫度范圍的增大而越來越差。因?yàn)閷τ诩兘饘?、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(nèi)部推進(jìn)，固相層內(nèi)表面比較光滑，對液體的流動阻力小精品.，合金液流動時(shí)間長，所以流動性好，充型能力強(qiáng)。而具有寬結(jié)晶溫度范圍的合金在型腔中流動時(shí)，斷面上存在著發(fā)達(dá)的樹枝晶與未凝固的液體相混雜的兩相區(qū)，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(jìn)行的越慢，流動性越好，充型能力越強(qiáng)；而對于寬結(jié)晶溫度范圍的合金，由于潛熱放出1520%以后，晶粒就連成網(wǎng)絡(luò)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(jié)晶潛熱為-al的4倍以上，a