材料成型第一章重难点复习题答案

课后作业答案

第一章

练习一

一、填空题

1、液体的表观特征有：

（1）类似于液体，液体最显著的性质是具有流动性，即不能够象固体那样承受剪切应力；

（2）类似于液体，液体可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形状；

（3）类似于固体，液体具有自由表面；

（4）类似于固体，液体可压缩性很。

2、按液体结构和内部作用力分类，液体可分为原子液体、分子液体及离子液体三类。其中，液态金属属于原子液体，简单及复杂的熔盐通常属于离子液体。

3、偶分布函数g(r)的物理意义是距某一参考粒子r处找到另一个粒子的几率，换言之，表示离开参考原子（处于坐标原点r=0）距离为r位置的数密度ρ(r)对于平均数密度ρo（=N/V）的相对偏差。

4、考察下面右图中表达物质不同状态的偶分布函数g(r)的图(a)、(b)、(c)的特征，然后用连线将分别与左图中对应的结构示意图进行配对。

固体结构（a）的偶分布函数

气体结构（b）的偶分布函数

液体结构（c）的偶分布函数

5、能量起伏：描述液态结构的“综合模型”指出，液态金属中处于热运动的不同原子的能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停地变化，时高时低。这种现象称为能量起伏。

6、结构起伏：液态金属是由大量不停“游动”着的原子团簇组成，团簇内为某种有序结构，团簇周围是一些散乱无序的原子。由于“能量起伏”，一部分金属原子（离子）从某个团簇中分化出去，同时又会有另一些原子组合到该团簇中，此起彼伏，不断发生着这样的涨落过程，似乎原子团簇本身在“游动”一样，团簇的尺寸及其内部原子数量都随时间和空间发生着改变，这种现象称为结构起伏。

7、在特定的温度下，虽然“能量起伏”和“结构起伏”的存在，但对于某一特定的液体，其团簇的统计平均尺寸是一定的。然而，原子团簇平均尺寸随温度变化而变化，温度越高原子团簇平均尺寸越小。

8、浓度起伏：工业中常用的合金存在着异类组员；即使是“纯”金属，也存在着大量杂质原子。因此，对于实际金属及合金的液态结构，还需考虑不同原子的分布情况。由于同种元素及不同元素之间的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子容易聚集在一起，把别的原于排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异。这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化，这一现象称为浓度起伏。

9、对于液态合金，若同种元素的原子间结合力大于不同元素的原子间结合力，即F(A-A、B-B) ＞F(A-B)，则形成富A及富B的原子团簇，具有这样的原子团簇的液体仅有“拓扑短程序”；若熔体的异类组元具有负的混合热，往往F(A -B)＞F(A-A、B-B)，则在液体中形成具有A-B化学键的原子团簇，具有这样的原子团簇的液体同时还有“化学短程序”。具有“化学短程序”的原子团簇，在热运动的作用下，出现时而化合，时而分解的分子，也可称为不稳定化合物，甚至可以形成比较强而稳定化合物，在液体中就出现新的固相。

10、金属熔化潜热?H m比其气化潜热?H b小得多（表1-2），为1/15~1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。

二、判断题（括号中添“√”或“×”）

1、（√）

2、（×），因为Ga, Bi, Sb, Ce, Si, Ge等熔化时体积增大。

3、（×），理想纯金属液体中既有“能量起伏”，也有“结构起伏”。

4、（√）

5、（×），近年，人们发现液态Ga、Cs、Se、I、、Bi 、Te等元素以及石墨熔体的某些物理性质随压力出现异常非连续变化，Katayama等利用对液态磷进行高压X-衍射实验，证实了液态磷中发生压力诱导型非连续液-液结构转变；我国及国外的学者也以多种手段揭示，一些合金熔体的性质与结构随温度发生非连续变化。

练习二

一、填空题

1、 作用于液体表面切应力τ大小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数，称为动力学粘度，通常以η表示。要产生相同的dV X /dy ，液体的 内摩擦 阻力越大，则η越大，所需外加剪切应力也越大。

2、 液体粘度的常用单位为Pa·S 或mPa·S 。

3、 液体的原子间结合力（或原子间结合能U ）越大，则内摩擦阻力越大，粘度也就越高。液体粘度η随原子间结合能U 按指数关系增加，即：)/exp(0T k U B ηη=。

4、 此外，粘度随原子间距δ增大而降低，随温度T 升高而下降，合金元素的加入若产生负的混合热H m 则会使合金液的粘度上升，通常，表面活性元素使液体粘度降低。

5、 通常，物质内部原子间结合力越大，其熔点和沸点越高，其固体和液体的表面能和表面张力也越大，其液体的粘度越大。

6、 虽然表面张力与表面自由能是不同的物理概念，但都以γ（或σ）表示，其大小完全相同，单位也可以互换，通常表面张力的单位为力/距离，以N/m 或dyn/cm 表示，表面能的单位为能量/面积，以J/m 2或erg/cm 2表示。

7、 两相质点间结合力越大，界面能越小，界面张力就越小。两相间的界面张力越大，则润湿角越大，表示两相间润湿性越差。

8、 通常，自由电子多的溶质元素，由于造成合金表面双电层的电荷密度大，从而造成对表面压力大，而使整个系统的表面张力增加。

二、选择题

1、C 正确

A 错，因为降低原子间距、加入产生负的混合热的合金元素均会使液体粘度上升。

B 错，因为加入表面活性元素才会使液体粘度降低。

D 错，因为降低液体温度会使液体粘度上升。

2、B 正确

A 错，因为向系统中加入削弱原子间结合力的组元可以降低表面张力。

C 错，因为加入表面活性元素才会使液体表面张力降低。

D 错，因为加入自由电子数目多的溶质元素会使液体表面张力上升。

3、D 错，因为根据公式（1-22）H g D C ??=

ρσ4 ，可清楚地看出其规律。 4、C 正确。

A 错。通常，熔点高的物质其表面张力比熔点低的物质高，但也存在反例。如Mg 与Zn 同样都是二价金属，Mg 的熔点为650℃，Zn 的熔点为420℃，但Mg 的表面张力为559mN/m( dyn/cm)；

Zn 的表面张力却为782mN/m 。

B 错。原子体积小于及大于溶剂原子体积的元素，均有降低液体表面张力的例证。如S 的原子半径（1.04?）小于Fe 的半径（1.27 ?），S 大为降低铁液的表面张力，而Pb 原子半径（1.75 ?）大于Al 的半径（1.43 ?），Pb 也大为降低铝液的表面张力。根据表面吸附热力学，不论溶质原子体积小于还是大于溶剂原子，只要为表面活性元素均降低表面张力。

D 错。奥氏体钢熔体的表面张力，随Ni 含量的变化在不同的范围呈不同的趋势，并受Cr 含量的影响。

三、简答题：

1、答：斯托克斯公式：η

ρρυ2

)(92r g B m -?= 金属液粘度η越低、产生的夹杂或气泡半径r 越大、夹杂或气泡密度ρB 越小，则精炼效果越好。

2、答：表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所造成。由于液体或固体的表面原子受内部的作用力较大，而朝着气体的方向受力较小，这种受力不均引起表面原子的势能比内部原子的势能高。因此，物体倾向于减小其表面积而产生表面张力。

因此，物质内部原子间结合力越大，则表面张力及表面能越高。

3、答：各张力（符号）如图所示，润饰角与张

力之间的平衡关系式为： GL LS GS γγγθ-=cos 假设γGL 保持不变：

γLS <γGS ，则θ<90o ，即润饰角为锐角，液相对固相润饰。γLS 越小，则润饰角θ越小，表明液相对固相的润饰性越好；

γLS >γGS ，则θ>90o ，即润饰角为钝角角，液相对固相不润饰。γLS 越大，则润饰角θ越大，表明液相对固相的润饰性越差；

γLS =γGS ，则θ=90o ，液相对固相处于润饰和不润饰关系的临界点。

4、答：液膜的拉断临界应力f max 大小为：T

r p f σσσ

22T/max ===?=** 因此，σ= f max T/2=0.825N/m

液膜拉断时若无外界液体补充，那么晶粒间或枝晶间便形成了凝固热裂纹。S 在钢铁液体中严重降低表面张力，可见，液膜的表面张力越大（[S]越低），液膜越薄，则液膜的拉断临界应力f max 越大，裂纹越难形成。

5、答： 根据流体力学的斯托克斯公式：η

ρρυ2

)(92r g B m -?=，式中：υ为夹杂物和气泡的上浮速度，r 为气泡或夹杂的半径，ρm 为液体合金密度，ρB 为夹杂或气泡密度，g 为重力加速度。41034.1)(29-?=-?=

B m g r ρρυηm

纯金属、共晶成分合金及结晶 温度很窄的合金停止流动机理示意图

练习三

一、填空题

1、充型能力是设计浇注系统的重要依据之一，充型能力弱，则可能产生浇不足、冷隔、砂眼、铁豆、抬箱，以及卷入性气孔、夹砂等缺陷。

2、液态金属本身的流动能力称为“ 流动性 ”，是液态金属的工艺性能之一，它取决于液态金属的密度、比热、合金的结晶潜热及结晶温度范围等

3、液态金属的“充型能力”取决于金属既取决于金属本身的流动性，也取决于铸型性质、浇注条件、铸件结构等外界因素的影响，是各种因素的综合反映。

4、铸件的浇注系统静压头H 越高，液态金属密度1ρ及比热1C 、合金的结晶潜热H ?越大，浇注温度浇T 、铸型温度T 型越高，充型能力越强。

5、铸型的C 2、ρ2、λ2越大即蓄热系数b 2（2222ρλC b =）越大，铸型的激冷能力就越强，金属液于其中保持液态的时间就越短，充型能力下降。

二、选择题

1、A 正确。最小壁厚从小到大的正确排列顺序为：熔模铸造、砂型、金属型，原因在于铸型的传热及蓄热性质的高低。具体大小见教材表1-4。

2、B 、错。通常，在共晶成分处的合金有最好的流动性。但也有例外的情况，对于Al-Si 合金，由于潜热的影响，最好流动性并不在共晶成分处（Si12.6%），而是在含Si 量为18-20%左右，这是因为Si 晶体结晶潜热为180.7×104J/kg ，为α-Al(38.9×104J/kg)的4倍以上，而且，过共晶成分Al-Si 合金的初生块状Si 强度较低，不容易形成坚固的枝晶网络，结晶潜热的作用得以发挥。与之相似，灰口铸铁由于石墨高的结晶潜热（383×104J/kg ，约为Fe 的14倍），最佳流动性也在过共晶成分。

3、D 错。牌号确定的铸件，因组织及性能的要求，其成分往往不可以随意改变。应该从工艺上采取措施。

4、A 错。根据Fe-C 相图，成分范围C2.0%-4.3%的Fe-C 合金，结晶温度范围随含C 量的增加而减小，因此流动性变好。

三、问答及计算题：

1、答：对于纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围很窄的合

金，其停止流动机理如右图所示。在金属的过热量未散失尽以

前为纯液态流动(图中a),为第Ⅰ区。金属液继续流动，冷的前

端在型壁上凝固结壳(图中b)，而后的金属液是在被加热了的管

道中流动，冷却强度下降。由于液流通过Ⅰ区终点时，尚具有

一定的过热度，将已凝固的壳重新熔化，为第Ⅱ区。所以，该

区是先形成凝固壳，又被完全熔化。第Ⅲ区是未被完全熔化而保留下来的一部分固相区，在该区的终点金属液耗尽了过热热量。在第Ⅳ区里，液相和固相具有相同的温度---结晶温度。由

于在该区的起点处结晶开始较早，断面上结晶完毕也较早，往往在它附近发生堵塞(图中c)。

因为此类合金或纯金属在固定的凝固温度下，已凝固的固相层由表面逐步向内部推进，固相层内表面比较光滑，对液体的流动阻力小，直至如图所示的第Ⅳ区的截面完全凝固，合金才停止流动，这类合金液流动时间长，所以流动性好。

2、答：机翼铸造常出现“浇不足”缺陷可能是由金属液的充型能力不足造成的，可采取以下工艺提高成品率：

（1）使用小蓄热系数的铸型来提高金属液的充型能力；采用预热铸型，减小金属与铸型的温差，提高金属液充型能力。

（2）提高浇注温度，加大充型压头，可以提高金属液的充型能力。

（3）改善，提高金属液的充型能力。