《材料成形基本原理（第3版）》 習(xí)題及答案 第一章 單元復(fù)習(xí)題

PAGEPAGE1第一章單元復(fù)習(xí)題練習(xí)一一、填空題1、液體的表觀特征有：（1）類似于體，液體最顯著的性質(zhì)是具有性，即不能夠象固體那樣承受剪切應(yīng)力；（2）類似于體，液體可完全占據(jù)容器的空間并取得容器的形狀；（3）類似于固體，液體具有表面；（4）類似于固體，液體可壓縮性很。2、按液體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部作用力分類，液體可分為原子液體、分子液體及離子液體三類。其中，液態(tài)金屬屬于液體，各種簡單及復(fù)雜的熔鹽屬于液體。3、偶分布函數(shù)g(r)的物理意義是距某一粒子r處找到另一個粒子的，換言之，表示離開參考原子（處于坐標(biāo)原點(diǎn)r=0）距離為r位置的數(shù)密度ρ(r)對于平均數(shù)密度ρo（=N/V）的相對偏差。4、考察下面右圖中表達(dá)物質(zhì)不同狀態(tài)的偶分布函數(shù)g(r)的圖(a)、(b)、(c)的特征，然后用連線將分別與左圖中對應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖進(jìn)行配對。固體結(jié)構(gòu)（a）的偶分布函數(shù)氣體結(jié)構(gòu)（b）的偶分布函數(shù)液體結(jié)構(gòu)（c）的偶分布函數(shù)5、能量起伏：描述液態(tài)結(jié)構(gòu)的“綜合模型”指出，液態(tài)金屬中處于熱運(yùn)動的不同原子的有高有低，同一原子的能量也在隨不停地變化，時高時低。這種現(xiàn)象稱為能量起伏。6、結(jié)構(gòu)起伏：液態(tài)金屬是由大量不?！坝蝿印敝慕M成，團(tuán)簇內(nèi)為某種結(jié)構(gòu)，團(tuán)簇周圍是一些的原子。由于“能量起伏”，一部分金屬原子（離子）從某個團(tuán)簇中出去，同時又會有另一些原子到該團(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)簇本身在“游動”一樣，團(tuán)簇的尺寸及其內(nèi)部原子數(shù)量都隨和發(fā)生著改變，這種現(xiàn)象稱為結(jié)構(gòu)起伏。7、在特定的溫度下，雖然“能量起伏”和“結(jié)構(gòu)起伏”的存在，但對于某一特定的液體，其團(tuán)簇的統(tǒng)計平均是一定的。然而，原子團(tuán)簇平均尺寸隨溫度變化而變化，溫度越高原子團(tuán)簇平均尺寸。8、濃度起伏：工業(yè)中常用的合金存在著異類組員；即使是“純”金屬，也存在著大量原子。因此，對于實(shí)際金屬及合金的液態(tài)結(jié)構(gòu)，還需考慮不同原子的分布情況。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。這種局域成分的不均勻性隨原子在不時發(fā)生著變化，這一現(xiàn)象稱為濃度起伏（也稱為成分起伏）。9、對于液態(tài)合金，若同種元素間不同元素的原子間結(jié)合力，(A-A、B-B)(A-B)，則形成富A及富B的原子，具有這樣的原子團(tuán)簇的液體僅有“拓?fù)涠坛绦颉保蝗羧垠w的異類組元具有負(fù)的，往往(A-B)＞(A-A、B-B)，則在液體中形成具有A-B化學(xué)鍵的原子團(tuán)簇，具有這樣的原子團(tuán)簇的液體同時還有“化學(xué)短程序”。具有“化學(xué)短程序”的原子團(tuán)簇，在熱運(yùn)動的作用下，出現(xiàn)時而化合，時而分解的分子，也可稱為不穩(wěn)定化合物，甚至可以形成比較強(qiáng)而穩(wěn)定化合物，在液體中就出現(xiàn)新的固相。10、二、判斷題（括號中添“√”或“×”）1、在描述液體結(jié)構(gòu)時，以結(jié)構(gòu)參數(shù)r1表示參考原子至其周圍第一配位層的原子平均原子間距，同時r1也可表達(dá)此液態(tài)體系的原子平均原子間距。（）2、（）3、理想純金屬液體中只存在“能量起伏”，而實(shí)際液態(tài)金屬或合金同時存在能量、結(jié)構(gòu)和成分三種起伏。（）4、液態(tài)金屬及合金中，一些化學(xué)親和力較強(qiáng)的異類原于之間還可能形成不穩(wěn)定的(臨時的)或穩(wěn)定的化合物。這些化合物可能以固態(tài)，氣態(tài)或液態(tài)出現(xiàn)。（）5、液態(tài)領(lǐng)域最新理論及實(shí)驗(yàn)表明，單組元液體中存在“拓?fù)涠坛绦颉?而多組元液體中則可能同時存在“化學(xué)短程序”，液體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)隨壓力或溫度的改變只發(fā)生連續(xù)漸變。（）練習(xí)二填空題作用于液體表面切應(yīng)力τ大小與垂直于該平面法線方向上的速度梯度的比例系數(shù)，稱為，通常以η表示。要產(chǎn)生相同的速度梯度dVX/dy，液體阻力越大，則η越大，所需外加剪切應(yīng)力也。液體粘度的常用單位為或。液體的原子之間結(jié)合力（或原子間結(jié)合能U），則內(nèi)摩擦阻力越大，粘度也就。液體粘度η隨原子間結(jié)合能U按指數(shù)關(guān)系增加，即（公式）：。此外，粘度隨原子間距δ而降低，隨溫度T而下降，合金元素的加入若產(chǎn)生負(fù)的混合熱Hm，則會使合金液的粘度，通常，表面活性元素使液體粘度。通常，大的物質(zhì)，其熔點(diǎn)和沸點(diǎn)高，其固體和液體的表面能和表面張力也大。雖然表面張力與表面自由能是不同的物理概念，但都以γ（或）表示，其大小完全相同，單位也可以，通常表面張力的單位為力/距離，以或表示，表面能的單位為能量/面積，以或表示。兩相間結(jié)合力，界面能越小，界面張力就越小。兩相間的界面張力越大，則潤濕角，表示兩相間潤濕性。多的溶質(zhì)元素，由于造成合金表面雙電層的電荷密度大，從而造成對表面壓力大，而使整個系統(tǒng)的表面張力。二、選擇題1、下面哪些因素的變化可以同時降低液體的粘度？A、提高液體溫度、降低原子間距、加入產(chǎn)生負(fù)的混合熱的合金元素或加入表面活性元素；B、提高液體溫度、增大原子間距、加入產(chǎn)生正的混合熱的合金元素或加入非表面活性元素；C、提高液體溫度、增大原子間距、加入產(chǎn)生正的混合熱的合金元素或加入表面活性元素；D、降低液體溫度、增大原子間距、加入產(chǎn)生正的混合熱的合金元素或加入表面活性元素。2、關(guān)于表面張力，下面哪一種說法的是正確的？A、通過降低液體溫度、向系統(tǒng)中加入削弱原子間結(jié)合力的組元可以提高表面張力。B、對晶體而言，若表面為密排晶面（低指數(shù)晶面），其表面能及表面張力比非密排晶面的小?；谏鲜鲈颍w為維持其最穩(wěn)定的狀態(tài)，其表面往往為低指數(shù)（密排）晶面。C、加入自由電子數(shù)目多的溶質(zhì)元素，以及加入表面活性元素可以降低合金液的表面張力。D、S、O及N等元素均明顯降低鋼液及鐵液的表面張力，而加入Cr作為合金元素則使鐵液表面張力上升。3、下面哪種說法是錯誤的？A、表面張力在大體積系統(tǒng)中顯示不出它的作用，但在微小體積系統(tǒng)會顯示很大的作用。B、液體及固體為微小凸面（曲率半徑r為正）時，其內(nèi)部C、液態(tài)鋁合金中同時存在大小不同的氫氣泡，由表面張力產(chǎn)生的附加壓力分別為△P1與△P2，則△P2＞△P1。當(dāng)兩氣泡匯集接觸時，小氣泡中的氣體將迅速充入大氣泡而合并。D、鑄造過程中金屬液若易侵入砂型毛細(xì)管則形成粘砂。毛細(xì)管直徑D及上方金屬液靜壓頭H越大，越容易產(chǎn)生粘砂，而金屬液表面張力越小，則產(chǎn)生粘砂的毛細(xì)管臨界直徑DC（與型砂的粗細(xì)有關(guān)）越大。4、下面哪一種說法的是正確的？A、兩個熔點(diǎn)不同的高的物質(zhì)，熔點(diǎn)高的物質(zhì)其表面張力必定比熔點(diǎn)低的物質(zhì)高。B、當(dāng)溶質(zhì)的原子體積小于溶劑原子體積，作為合金元素加入則降低整個系統(tǒng)的能量；而當(dāng)溶質(zhì)的原子體積大于溶劑原子體積，作為合金元素加入則降低整個系統(tǒng)的能量。C、一定溫度下，dσ/dc＜0時，元素濃度的增加將引起表面張力的降低，則單位面積上的吸附量Γ＞0，為正吸附，此時為表面活性元素。D、奧氏體鋼熔體的表面張力隨Ni的增加而下降。三、解答及計算題：1、在金屬液各種精煉工藝中，希望夾雜或氣泡能夠快速上浮而強(qiáng)化精煉效果。寫出流體力學(xué)的斯托克斯公式，并分析粘度η、夾雜或氣泡半徑r、夾雜或氣泡ρB的大小對精煉效果的影響。2、簡述表面張力的產(chǎn)生原因，并指出物質(zhì)內(nèi)部原子間結(jié)合力的大小對表面張力及表面能的影響。潤濕角與界面張力θ如圖所示，各界面（表面）張力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在圖中標(biāo)出各張力（符號），并寫出潤飾角與張力之間的平衡關(guān)系式。潤濕角與界面張力θ假設(shè)γGL保持不變，討論γLS大于、小于及等于γGS的情況下潤飾角的特點(diǎn)及液相對固相的潤飾性。4、設(shè)凝固后期枝晶間液體相互隔絕，厚度為1.1×10-9m的液膜兩側(cè)晶粒因凝固收縮受1.5×103Mpa的拉應(yīng)力，根據(jù)液膜理論計算產(chǎn)生熱裂的液態(tài)金屬臨界表面張力。并討論[S]及液膜厚度對鋼鐵材料的熱裂紋形成的影響。5、過共析鋼液η=0.0049Pa﹒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5400kg/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。第一章單元復(fù)習(xí)題參考答案練習(xí)一一、填空題1、液體的表觀特征有：（1）類似于液體，液體最顯著的性質(zhì)是具有流動性，即不能夠象固體那樣承受剪切應(yīng)力；（2）類似于液體，液體可完全占據(jù)容器的空間并取得容器內(nèi)腔的形狀；（3）類似于固體，液體具有自由表面；（4）類似于固體，液體可壓縮性很低。2、按液體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部作用力分類，液體可分為原子液體、分子液體及離子液體三類。其中，液態(tài)金屬屬于原子液體，簡單及復(fù)雜的熔鹽通常屬于離子液體。3、偶分布函數(shù)g(r)的物理意義是距某一參考粒子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(biāo)原點(diǎn)r=0）距離為r位置的數(shù)密度ρ(r)對于平均數(shù)密度ρo（=N/V）的相對偏差。4、考察下面右圖中表達(dá)物質(zhì)不同狀態(tài)的偶分布函數(shù)g(r)的圖(a)、(b)、(c)的特征，然后用連線將分別與左圖中對應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖進(jìn)行配對。固體結(jié)構(gòu)（a）的偶分布函數(shù)氣體結(jié)構(gòu)（b）的偶分布函數(shù)液體結(jié)構(gòu)（c）的偶分布函數(shù)5、能量起伏：描述液態(tài)結(jié)構(gòu)的“綜合模型”指出，液態(tài)金屬中處于熱運(yùn)動的不同原子的能量有高有低，同一原子的能量也在隨時間不停地變化，時高時低。這種現(xiàn)象稱為能量起伏。6、結(jié)構(gòu)起伏：液態(tài)金屬是由大量不停“游動”著的原子團(tuán)簇組成，團(tuán)簇內(nèi)為某種有序結(jié)構(gòu)，團(tuán)簇周圍是一些散亂無序的原子。由于“能量起伏”，一部分金屬原子（離子）從某個團(tuán)簇中分化出去，同時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)簇本身在“游動”一樣，團(tuán)簇的尺寸及其內(nèi)部原子數(shù)量都隨時間和空間發(fā)生著改變，這種現(xiàn)象稱為結(jié)構(gòu)起伏。7、在特定的溫度下，雖然“能量起伏”和“結(jié)構(gòu)起伏”的存在，但對于某一特定的液體，其團(tuán)簇的統(tǒng)計平均尺寸是一定的。然而，原子團(tuán)簇平均尺寸隨溫度變化而變化，溫度越高原子團(tuán)簇平均尺寸越小。8、濃度起伏：工業(yè)中常用的合金存在著異類組員；即使是“純”金屬，也存在著大量雜質(zhì)原子。因此，對于實(shí)際金屬及合金的液態(tài)結(jié)構(gòu)，還需考慮不同原子的分布情況。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。這種局域成分的不均勻性隨原子熱運(yùn)動在不時發(fā)生著變化，這一現(xiàn)象稱為濃度起伏。9、對于液態(tài)合金，若同種元素間不同元素的原子間結(jié)合力，(A-A、B-B)＞(A-B)，則形成富A及富B的原子團(tuán)簇，具有這樣的原子團(tuán)簇的液體僅有“拓?fù)涠坛绦颉保蝗羧垠w的異類組元具有負(fù)的混合熱，往往(A-B)＞(A-A、B-B)，則在液體中形成具有A-B化學(xué)鍵的原子團(tuán)簇，具有這樣的原子團(tuán)簇的液體同時還有“化學(xué)短程序”。具有“化學(xué)短程序”的原子團(tuán)簇，在熱運(yùn)動的作用下，出現(xiàn)時而化合，時而分解的分子，也可稱為不穩(wěn)定化合物，甚至可以形成比較強(qiáng)而穩(wěn)定化合物，在液體中就出現(xiàn)新的固相。10、二、判斷題（括號中添“√”或“×”）1、（√）2、（×），因?yàn)镚a,Bi,Sb,Ce,Si,Ge等熔化時體積增大。3、（×），理想純金屬液體中既有“能量起伏”，也有“結(jié)構(gòu)起伏”。4、（√）5、（×），練習(xí)二填空題作用于液體表面切應(yīng)力τ大小與垂直于該平面方向上的速度梯度的比例系數(shù)，稱為動力學(xué)粘度，通常以η表示。要產(chǎn)生相同的dVX/dy，液體的內(nèi)摩擦阻力越大，則η越大，所需外加剪切應(yīng)力也越大。液體粘度的常用單位為Pa·S或mPa·S。液體的原子間結(jié)合力（或原子間結(jié)合能U）越大，則內(nèi)摩擦阻力越大，粘度也就越高。液體粘度η隨原子間結(jié)合能U按指數(shù)關(guān)系增加，即：。此外，粘度隨原子間距δ增大而降低，隨溫度T升高而下降，合金元素的加入若產(chǎn)生負(fù)的混合熱Hm則會使合金液的粘度上升，通常，表面活性元素使液體粘度降低。通常，物質(zhì)內(nèi)部原子間結(jié)合力越大，其熔點(diǎn)和沸點(diǎn)越高，其固體和液體的表面能和表面張力也越大，其液體的粘度越大。雖然表面張力與表面自由能是不同的物理概念，但都以γ（或）表示，其大小完全相同，單位也可以互換，通常表面張力的單位為力/距離，以N/m或dyn/cm表示，表面能的單位為能量/面積，以J/m2或erg/cm2表示。兩相間結(jié)合力越大，界面能越小，界面張力就越小。兩相間的界面張力越大，則潤濕角越大，表示兩相間潤濕性越差。通常，自由電子多的溶質(zhì)元素，由于造成合金表面雙電層的電荷密度大，從而造成對表面壓力大，而使整個系統(tǒng)的表面張力增加。二、選擇題1、C正確A錯，因?yàn)榻档驮娱g距、加入產(chǎn)生負(fù)的混合熱的合金元素均會使液體粘度上升。B錯，因?yàn)榧尤氡砻婊钚栽夭艜挂后w粘度降低。D錯，因?yàn)榻档鸵后w溫度會使液體粘度上升。2、B正確A錯，因?yàn)橄蛳到y(tǒng)中加入削弱原子間結(jié)合力的組元可以降低表面張力。C錯，因?yàn)榧尤氡砻婊钚栽夭艜挂后w表面張力降低。D錯，因?yàn)榧尤胱杂呻娮訑?shù)目多的溶質(zhì)元素會使液體表面張力上升。3、D錯，因?yàn)楦鶕?jù)公式（1-22），可清楚地看出其規(guī)律。4、C正確。A錯。通常，熔點(diǎn)高的物質(zhì)其表面張力比熔點(diǎn)低的物質(zhì)高，但也存在反例。如Mg與Zn同樣都是二價金屬，Mg的熔點(diǎn)為650℃，Zn的熔點(diǎn)為420℃，但Mg的表面張力為559mN/m(dyn/cm)；Zn的表面張力卻為782mN/m。B錯。原子體積小于及大于溶劑原子體積的元素，均有降低液體表面張力的例證。如S的原子半徑（1.04?）小于Fe的半徑（1.27?），S大為降低鐵液的表面張力，而Pb原子半徑（1.75?）大于Al的半徑（1.43?），Pb也大為降低鋁液的表面張力。根據(jù)表面吸附熱力學(xué)，不論溶質(zhì)原子體積小于還是大于溶劑原子，只要為表面活性元素均降低表面張力。D錯。奧氏體鋼熔體的表面張力，隨Ni含量的變化在不同的范圍呈不同的趨勢，并受Cr含量的影響。三、簡答題：1、答：斯托克斯公式：金屬液粘度η越低、產(chǎn)生的夾雜或氣泡半徑r越大、夾雜或氣泡ρB越小，則精煉效果越好。2、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。因此，物質(zhì)內(nèi)部原子間結(jié)合力越大，則表面張力及表面能越高。γGLγGSγGLγGSθγLSθγLS假設(shè)γGL保持不變：γLS<γGS，則θ<90o，即潤飾角為銳角，液相對固相潤飾。γLS越小，則潤飾角θ越小，表明液相對固相的潤飾性越好；γLS>γGS，則θ>90o，即潤飾角為鈍角角，液相對固相不潤飾。γLS越大，則潤飾角θ越大，表明液相對固相的潤飾性越差；γLS=γGS，則θ=90o，液相對固相處于潤飾和不潤飾關(guān)系的臨界點(diǎn)。4、答：液膜的拉斷臨界應(yīng)力fmax大小為：因此，=fmaxT/2=0.825N/m液膜拉斷時若無外界液體補(bǔ)充，那么晶粒間或枝晶間便形成了凝固熱裂紋。S在鋼鐵液體中嚴(yán)重降低表面張力，可見，液膜的表面張力越大（[S]越低），液膜越薄，則液膜的拉斷臨界應(yīng)力fmax越大，裂紋越難形成。5、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，ρm為液體合金，ρB為夾雜或氣泡。m練習(xí)三一、填空題1、充型能力是設(shè)計澆注系統(tǒng)的重要依據(jù)之一，充型能力弱，則可能產(chǎn)生澆不足、冷隔、砂眼、鐵豆、抬箱，以及卷入性氣孔、夾砂等缺陷。2、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，它取決于液態(tài)金屬的密度、比熱、合金的結(jié)晶潛熱及結(jié)晶溫度范圍等3、液態(tài)金屬的“充型能力”取決于金屬既取決于金屬本身的流動性，也取決于鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等外界因素的影響，是各種因素的綜合反映。4、鑄件的澆注系統(tǒng)靜壓頭H越高，液態(tài)金屬密度及