《材料成形原理》重难点复习题.pdf

1 第一章第一章 练习一 练习一 一 填空题 1 液体的表观特征有 1 类似于 体 液体最显著的性质是具有 性 即不能够象固体那样承受剪切应力 2 类似于 体 液体可完全占据容器的空间并取得容器 的形状 3 类似于固体 液体具有 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离子液体三类 其中 液态 金属属于 液体 各种简单及复杂的熔盐属于 液体 3 偶分布函数 g r 的物理意义是距某一 粒子 r 处找到另一个粒子的 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 r 对于平均数密度 o 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 有 高有低 同一原子的能量也在随 不停地变化 时高时低 这种现象称为能量起伏 2 6 结构起伏结构起伏 液态金属是由大量不停 游动 着的 组成 团簇内为某种 结构 团 簇周围是一些 的原子 由于 能量起伏 一部分金属原子 离子 从某个团簇中 出 去 同时又会有另一些原子 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 和 发生着改变 这种现 象称为结构起伏结构起伏 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 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 8 浓度起伏浓度起伏 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 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 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 在不时发生着 变化 这一现象称为浓度起伏浓度起伏 也称为成分起伏 9 对于液态合金 若同种元素的原子间结合力 不同元素的原子间结合力 即即 F A A B B F A B 则形成富 A 及富 B 的原子 具有这样的原子团簇的液体仅有 拓扑拓扑短程序 若熔 体的异类组元具有负的 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 化学化学短程序 具有 化学化学短程序 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 Hm比其气化潜热 Hb小得多 表 1 2 为 1 15 1 30 表明熔化时其内部原子 只有部分被破坏 二 判断题 括号中添 或 1 在描述液体结构时 以结构参数 N1表示参考原子周围最近邻 即第一壳层 原子数 即配位数 以 r1表示参考原子至其周围第一配位层的原子平均原子间距 同时 r1也可表达此液态体系的原子 平均原子间距 2 所有物质熔化时体积变化率 Vm V 均为正值 表明液体的原子间距接近于固体 3 理想纯金属液体中只存在 能量起伏 而实际液态金属或合金同时存在能量 结构和成分三 种起伏 4 液态金属及合金中 一些化学亲和力较强的异类原于之间还可能形成不稳定的 临时的 或稳定 的化合物 这些化合物可能以固态 气态或液态出现 5 液态领域最新理论及实验表明 单组元液体中存在 拓扑短程序 而多组元液体中则可能同 时存在 化学短程序 液体结构和性质随压力或温度的改变只发生连续渐变 3 练习二 练习二 一 填空题 1 作用于液体表面切应力 大小与垂直于该平面法线方向上的速度梯度的比例系数 称 为 通常以 表示 要产生相同的速度梯度 dVX dy 液体 阻力越大 则 越大 所需外加剪切应力也 2 液体粘度的常用单位为 或 3 液体的原子之间结合力 或原子间结合能 U 则内摩擦阻力越大 粘度也就 液体粘度 随原子间结合能 U 按指数关系增加 即 公式 4 此外 粘度随原子间距 而降低 随温度 T 而下降 合金元素的加入若产生负的 混合热 Hm 则会使合金液的粘度 通常 表面活性元素使液体粘度 5 通常 大的物质 其熔点和沸点高 其固体和液体的表面能和表面张力也大 6 虽然表面张力与表面自由能是不同的物理概念 但都以 或 表示 其大小完全相同 单 位也可以 通常表面张力的单位为力 距离 以 或 表示 表面能的单位为 能量 面积 以 或 表示 7 两相质点间结合力 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 表示两相间润湿性 8 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 9 二 选择题 1 下面哪些因素的变化可以同时降低液体的粘度 A 提高液体温度 降低原子间距 加入产生负的混合热的合金元素或加入表面活性元素 B 提高液体温度 增大原子间距 加入产生正的混合热的合金元素或加入非表面活性元素 C 提高液体温度 增大原子间距 加入产生正的混合热的合金元素或加入表面活性元素 D 降低液体温度 增大原子间距 加入产生正的混合热的合金元素或加入表面活性元素 2 关于表面张力 下面哪一种说法的是正确的 A 通过降低液体温度 向系统中加入削弱原子间结合力的组元可以提高表面张力 B 对晶体而言 若表面为密排晶面 低指数晶面 其表面能及表面张力比非密排晶面的小 基 于上述原因 晶体为维持其最稳定的状态 其表面往往为低指数 密排 晶面 C 加入自由电子数目多的溶质元素 以及加入表面活性元素可以降低合金液的表面张力 D S O 及 N 等元素均明显降低钢液及铁液的表面张力 而加入 Cr 作为合金元素则使铁液表面 张力上升 3 下面哪种说法是错误的 A 表面张力在大体积系统中显示不出它的作用 但在微小体积系统会显示很大的作用 B 液体及固体为微小凸面 曲率半径 r 为正 时 其内部压力大于外部压力 即 p1 p2 4 S G L 润湿角与界面张力 C 液态铝合金中同时存在大小不同的氢气泡 由表面张力产生的附加压力分别为 P1与 P2 则 P2 P1 当两气泡汇集接触时 小气泡中的气体将迅速充入大气泡而合并 D 铸造过程中金属液若易侵入砂型毛细管则形成粘砂 毛细管直径 D 及上方金属液静压头 H 越 大 越容易产生粘砂 而金属液表面张力 越小 则产生粘砂的毛细管临界直径 DC 与型砂的粗 细有关 越大 4 下面哪一种说法的是正确的 A 两个熔点不同的高的物质 熔点高的物质其表面张力必定比熔点低的物质高 B 当溶质的原子体积小于溶剂原子体积 作为合金元素加入则降低整个系统的能量 而当溶质 的原子体积大于溶剂原子体积 作为合金元素加入则降低整个系统的能量 C 一定温度下 d dc 0 时 元素浓度的增加将引起表面张力的降低 则单位面积上的吸附量 0 为正吸附 此时为表面活性元素 D 奥氏体钢熔体的表面张力随 Ni 的增加而下降 三 解答及计算题 1 在金属液各种精炼工艺中 希望夹杂或气泡能够快速上浮而强化精炼效果 写出流体力学的斯 托克斯公式 并分析粘度 夹杂或气泡半径 r 夹杂或气泡密度 B的大小对精炼效果的影响 2 简述表面张力的产生原因 并指出物质内部原子间结合力的大小对表面张力及表面能的影响 3 如图所示 各界面 表面 张力达到稳定 状态 在图中标出各张力 符号 并写出润 饰角与张力之间的平衡关系式 假设 GL保持不变 讨论 LS大于 小于及等 于 GS 的情况下润饰角的特点及液相对固相 的润饰性 4 设凝固后期枝晶间液体相互隔绝 厚度为 1 1 10 9m 的液膜两侧晶粒因凝固收缩受 1 5 103Mpa 的拉应力 根据液膜理论计算产生热裂的 液态金属临界表面张力 并讨论 S 及液膜厚度对钢铁材料的热裂纹形成的影响 5 过共析钢液 0 0049Pa S 钢液的密度为 7000kg m 3 表面张力为 1500mN m 加铝脱氧 生 成密度为 5400 kg m 3的 Al 2O3 如能使 Al2O3颗粒上浮到钢液表面就能获得质量较好的钢 假如脱 氧产物在 1524mm 深处生成 试确定钢液脱氧后 2min 上浮到钢液表面的 Al2O3最小颗粒的尺寸 5 练习三 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 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 是液态金属的工艺性能之一 它取决于液态金属 的 合金的 及 等 3 液态金属的 充型能力 既取决于金属本身的流动性 也取决于 性质 条件 结 构等外界因素 是各种因素的综合反映 4 铸件的浇注系统静压头 H 液态金属密度 1 及比热 1 C 合金的结晶潜热H 浇注温度 浇 T 铸型温度 T型 充型能力越强 5 铸型的 C2 2 2越大即蓄热系数 b2 2222 Cb 越大 铸型的激冷能力就 金属 液于其中保持液态的时间就越短 充型能力 二 选择题 1 对于特定合金 分别采用砂型 金属型 熔模铸造不同的工艺方法 铸件可以铸造出的最小壁 厚从小到大的正确排列顺序为 A 熔模铸造 砂型 金属型 B 金属型 砂型 熔模铸造 C 砂型 金属型 熔模铸造 D 熔模铸造 金属型 砂型 2 下面哪一种说法的是错误的 A 纯金属 共晶和金属间化合物成分的合金 在相同过热度情况下 比具有宽凝固温度区间的 流动性好 B Al Si 合金共晶成分为 Si12 6 因此 从合金的性质而言 流动性最好的成分是 Si12 6 C 根据结晶温度范围宽的合金的停止流动机理 当向前流动的液态金属的前端析出 15 20 的固 相量时 便结成一个连续的网络 流动就会停止 D 尽管 充型能力 与合金的 流动性 紧密相关 合金的 流动性 与 充型能力 是两个 不同的概念 3 下面哪一种说法的是错误的 A 铸型的蓄热系数 b2越大 铸型的激冷能力就越强 充型能力下降 反之 铸型的 b2小 则充 型能力提高 B 浇注温度越高 充型压头越大 则液态金属的充型能力越好 而铸件结构越复杂 厚薄过渡 面多 则型腔结构越复杂 流动阻力越大 液态金属的充型能力越差 C 金属型的蓄热系数 b2是砂型的十倍或数十倍以上 为了使金属型浇口和冒口中的金属液缓慢 冷却 可以在涂料中加入 b2很小的石棉粉 6 D 某一牌号的合金铸件出现 浇不足 缺陷而报废 因此应调整成分来缩小结晶温度范围 以 提高其流动性 4 关于液态金属流动性 下面哪一种说法的是错误的 A 在相同的过热度情况下 成分范围 C2 0 4 3 的 Fe C 合金流动性随含 C 量的增加而变差 B 特定成分的合金流动性随过热度增大而变好 C 通常 在相同的条件下 相同铸型性质 浇注系统 浇注过热度等 浇注各种合金的流动性 试样 以试样的长度表示该合金的流动性 并以所测得的合金流动性表示合金的充型能力 D 可以认为 合金的流动性是在确定条件下的充型能力 对于同一种合金 可以用流动性试样 研究各铸造工艺因素对其充型能力的影响 三 问答题 1 以图示及文字描述纯金属 共晶成分合金和结晶温度范围很窄的合金停止流动机理 并说明此 类合金或纯金属流动性好的原因 2 某飞机制造厂的一牌号 Al Mg 合金 成分确定 机翼因铸造常出现 浇不足 缺陷而报废 如 果你是该厂工程师 请问可采取哪些工艺措施来提高成品率 第二章第二章 凝固温度场凝固温度场 第一节 传热基本原理 第一节 传热基本原理 一 填空一 填空 1 温度梯度指温度随 的变化率 对于一定温度场 沿等温面或等温线 方向 的温度梯度最大 图形上沿着该方向的等温面 或等温线 2 根据传热学的基本理论 热量传递的基本方式有 和 三种 在连 续介质内部或相互接触的物体之间不发生 而仅依靠分子 原子及自由电子等微观粒子 的 而产生的热量传输称为热传导 3 铸造过程中液态金属在充型时与铸型间的热量交换以 为主 铸件在铸型中的凝 固 冷却过程以 为主 4 不仅在 上变化并且也随 变化的温度场称为不稳定温度场 熔焊时焊件各 部位的温度随热源的 而变 属于不稳定温度场 又称之为焊接热循环 5 傅里叶定律是 过程的数学模型 求解该偏微分方程的主要方法有 方法与 方法 后者是用计算机程序来求解数学模型的 最常用的数值解法是 和 6 在求解热传导过程中的温度场时需要根据具体问题给出导热体的边界条件 一般将边 界条件分为 类 其中以 边界条件最为常见 对于不稳定温度场的求解 除了边 界条件之外 还要提供导热体的 条件 二 单选题 二 单选题 1 熔焊过程中热源与焊件间的热量传递方式属于 1 热传导 2 热对流 3 热辐射 4 以上全部 2 熔焊过程中熔池内部的热量传递以 方式为主 1 热传导 2 热对流 3 热辐射 4 以上全部 3 熔焊过程中焊件内部的热量传递以 方式为主 1 热传导 2 热对流 3 热辐射 4 以上全部 4 熔焊过程中焊件表面与周围空气介质之间的热量传递方式属于 1 热传导 2 热对流 3 热辐射 4 以上全部 三 三 简答简答 1 右图为某平板熔焊过程中焊件表面的温度分布状况 标出其最大温度梯度方向 并指 出当前热源位置与移动方向 第二节 铸造过程温度场 第二节 铸造过程温度场 一 下面各题的选项中 哪一个是错误的 一 下面各题的选项中 哪一个是错误的 1 在推导半无限大平板铸件凝固过程温度场的求解方程时进行了如下简化 1 热量沿着铸件与铸型的接触界面的法线方向一维热传导 2 铸件与铸型内部的温度始终为均温 3 不考虑凝固过程中结晶潜热的释放 4 不考虑铸件与铸型界面热阻 2 使用半无限大平板铸件凝固过程温度场的求解方程时 1 铸件一侧的温度梯度始终高于铸型中的温度梯度 2 铸件与铸型的蓄热系数始终不变 3 铸件与铸型的接触界面的温度始终不变 4 铸件向铸型一侧的散热速率逐渐降低 3 对于无限大平板铸件的凝固时间计算 1 没考虑铸件与铸型接触界面的热阻 2 考虑了铸件凝固潜热的释放 3 凝固时间是指从浇注开始至铸件凝固完毕所需要的时间 4 凝固层厚度取铸件板厚的一半 二 简答二 简答 1 已知某半无限大板状铸钢件的热物性参数为 导热系数 46 5 W m K 比热容 C 460 5 J kg K 密度 7850 kg m3 取浇铸温度为 1570 铸型的初始温度为 20 用描点作图法绘出该铸件在砂型和金属型铸模 铸型壁均足够厚 中浇铸后 0 02h 0 2h 时刻的温度分布状况并作分析比较 铸型的有关热物性参数见表 2 2 2 右图为大平板纯铝铸件在不同凝固工艺条件下的凝固曲 线 分析它们间的凝固条件差别 3 右图为 200mm 厚度的 25 钢大平板铸件分 别在金属型与砂型中的动态凝固曲线 根据图形 说明两种情况下的 1 凝固方式 2 凝固时间 3 凝固过程中最宽的固液两相区 4 距铸件表面 50mm 处的起始凝固时刻及 凝固结束用时 5 凝固组织差别 6 如果铸件两侧的铸型分别采用金属型与砂型 会出现什么情况 4 在砂型中浇铸尺寸为 300 300 20 mm 的纯铝板 设铸型的初始温度为 20 浇注后瞬 间铸件 铸型界面温度立即升至纯铝熔点 660 且在铸件凝固期间保持不变 浇铸温度为 670 金属与铸型材料的热物性参数见下表 热 物 性 材料 导热系数 W m K 比热容 C J kg K 密度 kg m 3 热扩散率 a m 2 s 结晶潜热 J kg 纯铝 212 1200 2700 6 5 10 5 3 9 10 5 砂型 0 739 1840 1600 2 5 10 7 试求 1 根据平方根定律计算不同时刻铸件凝固层厚度 s 并作出 s s曲线 2 分别用 平方根定律 及 折算厚度法则 计算铸件的完全凝固时间 3 分析差别 1000 160 160 60 120 5 比较同样体积大小的球状 块状 板状及杆 状铸件凝固时间的长短 6 右图为一灰铸铁底座铸件的断面形状 其厚 度为 30mm 利用 模数法 分析砂型铸造时底座 的最后凝固部位 并估计凝固终了时间 第三节 熔焊过程温度场 第三节 熔焊过程温度场 一 填空一 填空 1 熔焊热源具有能量密度 作用时间 的特点 可以使焊件局部温度 产生 通常熔焊热源相对于焊件以一定速度 焊件上不同部位随着与热源距离 的接近与远离而经历一次 的热循环 2 采用解析法求解焊接温度场时 根据焊件的几何特征将热源在焊件上的 简化 成 三类 之后热量以 方式向四周母材传播 3 采用相同的焊接规范在不同厚度的试板表面堆焊 随着板厚的增加 焊件的最高加热 温度 熔池的体积 冷却速度 4 当电弧功率一定时 增大焊接速度 相同温度等温线椭圆所包围的范围 椭圆的 被拉长 当焊接速度一定时 增大电弧功率 相同等温线椭圆所包围的面积 而椭圆的形态 二 改错二 改错 1 对于厚板的焊接 可以将热源功率视为作用于一个点上 该点位于热源正下方的焊件 表面 之后热量沿板厚方向进行热传导 2 对于薄板的焊接 可以将热源功率视为作用于热源正下方的焊件表面 之后热量沿板 厚方向进行热传导 3 薄板或杆件的焊接 由于焊件的比表面积比厚板时大 因此表面散热作用较强 冷却 速度较快 4 当电弧功率与焊接速度成比例增大时 由于单位长度焊件上的热输入 即焊接线能量 保持不变 因此在焊件中所形成的温度场相同 三 简答三 简答 1 对于低碳钢薄板 采用钨极氩弧焊较容易实现单面焊双面成形 背面均匀焊透 采用 相同规范去焊同样厚度的铝板会出现什么后果 为什么 2 对于板状对接单面焊焊缝 当焊接规范一定时 经常在起弧部位附近存在一定长度的 未焊透 分析其产生原因并提出相应工艺解决方案 第三章课后作业第三章课后作业 练习一 练习一 一 填空题 1 凝固是物质由液相转变为固相的过程 包括由液体向晶态固体转变 称为 及由液体向非晶态固体转变 称为 2 物质体积自由能G随温度上升而 液相体积自由能GL随温度上升而下降的斜 率 固相体积GS的斜率 3 当T Tm时 固 液体积自由能之差 GV GS GL为负值 GV称为 其表达式为 4 由公式可以看出 是影响相变驱动力的决定因素 过冷度 T 凝固相变驱动力 GV越大 5 设固相表面曲率k 0 由于曲率的影响物质的实际熔点比平衡熔点Tm r 时 要 6 对于固态密度低于液态密度的物质 当系统的外界压力升高时 物质熔点必然随 之 对于象 Sb Bi Ga 等少数物质 固态时的密度低于液态的密度 压力对熔 点的影响与上述情况 7 特定温T 下液 固相成分达到平衡时 溶质平衡分配系数K0定义的数学表达式 为 8 假设液相线及固相线为直线 则随温度的上升 溶质平衡分配系数K0为 9 对于K0 1 固相线 液相线张开程度 K0越小 固相成分开始结晶时与 终了结晶时差别越大 最终凝固组织的成分偏析越 因此 常将 1 K0 称为 二 解答题 1 从热力学角度证明 L P T G S P T G 并说明 此式的含义 L T2 T1 C0 TS TL K 0 1 T C 0 C T 2 从热力学角度证明凝固相变驱动力的表达式 m m V T TH G 3 在右图中 液态合金成分为C0 假设在冷却过程 中按平衡方式凝固 液相及固相成分均按相图变化 在图上分别标出T1 T2 及任 意特定温度T 与液相线 固相线的交点的成分 以及两个空白的 中的相区 4 根据K0的热力学表达公式 教材 3 11 3 12 说明 1 溶质平衡分配系数K0主要取决于哪两方面热力学因素 2 若假设 K 1 S i L i ff 0 1 的条件是什么 为什么 练习二 练习二 一 填空题 1 一般来说凝固形核是以 方式进行的 即依靠 或 界面提供 的衬底进行生核过程 亦称 形核 或 形核 2 均质晶核形成时 设晶核为球体 系统自由能变化G 由两部分组成 其中 液 固体积自由能之差 由引起 为相变 V G 而固 液界面能 由 SL 引起 则 相变 3 球状固体质点从金属液中开始形成时 只有其半径r大于临界晶核半径r 时 其统 自由能 G随r增大而 固体质点才能稳定存在 称为 而在r r 时 G 随r 增大而 这时不稳定的固体质点还不能称为晶核 而只能称为 对 应于r r 的系统自由能最大值 G 称为 4 临界晶核半径r 与过冷度 T成 关系 形核功与过冷度的关系为 G 过冷度 T 2 T G 越大 T 0 时 G 这表明过冷度很小 时 也从数学上证明了为什么物质凝固必须要有一定 5 形核功 G 的大小为临界晶核表面能的 它是均质形核所必须克服 的 形核功由熔体的 能量起伏 提供 因此 过冷熔体中形成的晶 核是 起伏 及 起伏 的共同产物 6 过冷度 T增大 r 及 G 下降 形核率I 对于一般金属 过冷度 T较小 时 均质形核的形核率几乎始终为 当温度降到某一程度 达到临界过 冷度 T 形核率迅速 研究表明 T Tm左右 可见 均质 形核需要 的过冷度 7 非均质形核与均质形核临界半径r 通常情况下 非均质形核功 G he远 均 质形核功 G ho 非均质形核过冷度 T 比均质形核的要 8 新生晶体与杂质基底之间的界面张力 SC越小 接触角 润湿角 则 G he 夹杂界面的非均质形核能力 形核过冷度 T 9 基底晶体与结晶相的晶格错配度 越小 共格情况 界面张力 SC 越容易进行非均质形核 10 一般认为 为完全共格 非均质形核能力强 为部分共格 杂质基底有一定的非均质形核能力 25 为 杂质无非 均质形核能力 二 选择题 T T 1 T T1 rmax r r o Tm TN 1 右图所示均质形核均质形核情形下三种半径与温度的关 系 下面哪种说法是错误的 r A 临界晶核半径r 与过冷度 T成反比 即 T越大 温度越低 则r 越小 B 液体中原子团簇的统计平均尺寸 r 随温度降低 T增大 而增大 C 过冷度达到 T 之后 原子团簇平均半径 r 已 达临界尺寸 开始大量形核 T 理解为大量形 核 过冷度 D 只有过冷度 T达到或超过 T 才可能有稳定晶核存在 2 非均质形核与均质形核相比 下面哪一种说法的是正确的 A 两者临界半径 r 相同 形核功 G也相同 但前者临界过冷度 T 比后者小很多 B 两者临界半径 r 相同 但 G 远小于 G 前者 T 比后者小很多 he ho C 前者临界半径 r 形核功 G 及过冷度 T 均比后者小很多 D 两者临界半径 r 形核功 G 及过冷度 T 均相同 3 下面哪种说法是错误的 A 通常 错配度 越小 共格情况越好 越容易进行非均质形核 B 过冷度越大 能促使异质形核的外来质点种类和数量越多 异质形核能力越强 C 在实践中 以错配度小作为选择形核剂的标准 会百分百地取得满意效果 D 形核剂的选用往往还要通过实验研究来确定 三 解答题 1 对于均质形核 试以自由能为纵坐标 球形晶体半径r为横坐标 分别示意画出体 积自由能项 界面自由能项界面自由能项以及系统自由能变化系统自由能变化G 对r的三条关系曲线 在图上标 出临界晶核半径临界晶核半径r 的位置 以及均质形核的形核功形核功 G ho 并推导临界晶核半径 临界晶核半径r 及形 核功 形 核功 G 的表达式 ho 2 右图所示某相固体 S 在液体 L 中以杂质基底 C 发生异质形核 1 写出三个界面张力的平衡关系式 并讨论界 面张力 SC 对异质形核的影响 C L S 非均质形核的界面张力及润湿角 LS 2 根据教材中公式 3 14 及 3 18 比较均质 异质形核临界半径临界半径和它们临界体积临界体积大小 CS LC 3 讨论接触角 润湿角 大小对异质形核功形核功 G he的影响 4 若以两种不同基底 C 及C 进行异质形核 且 分别写出临界过冷度临界过冷度 T 与 T 以及 G 与 G 的关系 hehe 练习三 练习三 一 填空题 1 固 液界面固相一侧的点阵位置有一半左右被固相原子所占据 形成坑坑洼洼 凹 凸不平的界面结构 这类原子尺度的微观固 液界面称为 粗糙界面在有 些文献中也称 或 2 固 液界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子所占满 只留下少数空位或台 阶 从而形成整体上平整光滑的界面结构 这类原子尺度的微观固 液界面称 为 光滑界面在有些文献中也称 或 3 通常 Jackson 因子 2 的物质 晶体表面有一半空缺位置时自由能 此时的 固 液界面 晶体表面 形态被称为粗糙界面 大部分 属于此类 5 的物质 凝固时界面为光滑界面 而 2 5 的物质 常为多种方式的混合 Bi Si Sb 等 属于此类 4 对于不同的物质 熔融熵 越容易成为粗糙界面 因此 液 固微观界面结 构究竟是粗糙面还是光滑面主要取决于物质的 性质 5 对于熔融熵一定的同种物质 液 固微观界面结构则取决于界面是哪个 即取决于界面上的配位数为 与晶体内部原子配位数为 之比 值 值越小 这说明 作为晶体表面 固 液界面 时 微观界面结构容易 成为粗糙界面 6 液 固微观界面结构不仅与 Jackson 因子有关 而且受到动力学因素的影响 对于 Jackson 因子 较大的物质 过冷度 时为光滑界面 而过冷度大时 生长速 度快 由于界面的原子层数增多 容易转化为 7 微观界面结构容易成为粗糙界面的晶体 生长过程中仍可维持粗糙面的界面结 构 以 生长 方式进行长大 其生长方向为界面的 方向 其生长 速度R1与实际过冷度 T成 关系 二 判断题 1 凝固过程 晶体的液 固微观界面结构 以及生长方式 方向及速度均完全取决于 物质的热力学性质 与外界条件无关 2 晶体按二维晶核生长 其台阶在界面铺满后即消失 生长需要有较大的临界过冷 度 孕育期 而螺旋位错台阶在生长过程中不会消失 其生长无需孕育期 3 晶体按螺旋位错机制进行生长 其生长速度R总是与过冷度 T的平方成正比 第四章第四章 练习一 练习一 一 判断题 T 或 F 1 溶质再分配既受溶质扩散性质的制约 也受液相中的对流强弱等诸种因素的影响 2 溶质再分配只影响凝固过程溶质宏观及微观分布及最终成分偏析现象 而不影响 凝固组织形貌和晶粒大小 也不影响热裂 气孔等凝固缺陷的形成 3 图 4 1 所示成分为C0的合金熔体 实际凝固结束时 其 组织中只有单相固溶体 4 虽然实际凝固过程中固 液两相成分不可能完全遵从平 衡相图来分配 凝固理论认为 固 液界面处成分C 与C 的 比值在任一瞬时仍符合相应的溶质平衡分配系数K S L SL SL 0 处于 局部平衡状态 这被称为 界面平衡假设 图 4 1 成分为C0合金的凝固 5 平衡凝固 条件下 凝固后零件断面的成分均匀地为 CS C0 所以 平衡凝固 开始时晶体析出的成分即为C0 6 对于 平衡凝固 及 液相充分混合 所假设的溶质再分配条件下 固 液界面 前沿不存在溶质富集层 即界面处及其前方的液相成分处处相同 7 在 平衡凝固 及 液相充分混合 所假设的溶质再分配条件下 固 液界面处 的固相及液相成分 C C 随凝固过程的进行均始终在不断升高 8 在 液相只有有限扩散 以及 液相中部分混合 有对流作用 溶质再分配 条件下 固 液界面处的固相及液相成分 C C 随凝固过程的进行始终不断升高 9 在 液相只有有限扩散 以及液相容积很大的 液相中部分混合 有对流作用 溶质再分配条件下 当达到稳定状态时 界面处及其前方液相成分均符合0 t xCL 且溶质富集层以外的成分均为CL C0 二 解答题 1 图 4 2 所示 为两种溶质再分配情况下凝固过程固液 液相成分随距离的分布 1 分别指出图 a 及图 b 各属于哪种溶质再分配情况 2 简述图 b 中 C 1 sC S LL C C 的物理内涵及原因 a b 图 4 2 两种溶质再分配情况下凝固过程固液 液相成分随距离的分布 2 图 4 3 为液相只有有限扩散凝固条件下溶 质再分配 请在图上完成如下 1 4 内容 做题中最好不查看教材 CL x O CL CS x L X C X O S 凝固方向 图 4 3 液相只有有限扩散凝固条件下溶质再分配 1 在三条虚线与纵坐标相交处标出其对应 特征成分 2 以纵虚线标出最初过渡区最初过渡区进入稳定状态稳定状态 的分界位置 3 写出稳定阶段界面前方富集层溶质浓度 与的关系式 xCL x 4 标出 特征距离 R DL 及其对应处 x 0 C C L 的高度 并写出其表达式 5 在图示情况下 若原凝固速度R1突然降 低到R2定值时 固相成分如何调整 3 在 液相中部分混合 有对流作用 的溶质再分配条件下 当达到稳定状态时 根据公式 N L D R L eKK C C 1 00 0 从数学角度讨论稳态时其 C 及 C 值与 液相 只有有限扩散 溶质再分配条件下的差异所在 并从实际物理过程予以说明 LS 4 在 液相只有有限扩散 溶质再分配条件下 讨论稳定状态时凝固速度R 溶质 扩散系数DL 平衡分配常数K0对溶质富集层 曲线的斜率 C 高度的影 响规律 xCL x L 练习二 练习二 一 判断题 T 或 F 1 凝固过程由溶质再分配引起固 液界面前沿的溶质富集 从而导致一定宽度内熔体 的实际温度低于界面前沿熔体液相线温度 这种由合金成分再分配所引起的过冷称 为 成分过冷 2 GL 0 x L x xT 表示凝固界面处液体实际温度梯度GL正好与曲线相切 为成 分过冷是否出现的临界点 xTL 3 GL 0 x L x xT 的情况下 若降低凝固速度R 将会出现成分过冷 4 其他条件相同情况下 无论K0 1 还是K0 1 溶质平衡分配系数K0小的合金更易 于发生出现成分过冷 5 其他条件相同情况下 原始浓度C0高的合金更易于出现成分过冷 6 是否出现成分过冷及成分过冷的程度 既取决于合金性质因素 K0 C0 DL mL 也取决于工艺因素 R GL 2 二 解答题 1 设某二元铝合金的液相线及固相线均为线性 液相线斜率绝对值为mL 1 5 K C 其K0 0 25 合金原始成分C0 1 纯铝 Al 熔点约取为Tm 660oC 在 液相只有 有限扩散 溶质再分配条件下 稳定状态的凝固速度R 100 m S时 溶质扩散系数 DL 5000 m2 S 1 画出具有液相线及固相线的部分相图 分别计算固液界面前沿各处的 保留4位小数 及对应于液相线温度 保留1位小数 将计算值填入下表 x xCL xTL x m 0 20 40 60 80 100 300 600 xCL xTL oC 2 根据计算结果 作图描点 以光滑曲线表达 T 关系 并对 其做简要讨论 若考虑凝固需要的动力学过冷度 xCL x x L x Tk 3K 在T 图上以虚线作 另一条实际的 曲线 x L x xTL x 3 以界面前沿液体的实际温度梯度GL1 80K mm及GL2 25K mm在 图上 分别作直线 指出是否成分过冷 xTL x 2 设某合金的K0 0 6 液相线斜率绝对值为mL 3 K C 溶质扩散系数 DL 5000 m2 S 1 当在 液相只有有限扩散 溶质再分配条件下 稳定状态的凝固速度R 25 m S 界面前沿液体温度梯度GL 10K mm时 判断在合金原始成分分别为C0 1 及 2 两两 种情况下成分过冷的可能 2 在上述合金原始成分为C0 1 条件下 若分别使R变大或GL变小 会发生何情 况 3 证明 教材中判别式 4 8 可表达为 R GL L i D TT 0 其中 00 CTT 0 xTT Li 练习三 练习三 一 判断题 T 或 F 1 凝固界面液相一侧形成负温度梯度时 前方熔体获得大于 动力学过冷度 Tk 的过冷度 这种仅由熔体存在的负温度梯度所造成的过冷 习惯上称为 热过冷 2 无论是纯金属还是合金 只有当凝固界面液相一侧形成负温度梯度时 才可能出 现过冷现象 3 纯金属凝固界面前方温度梯度为正时 不可能出现胞状晶或柱状树枝晶的生长方式 晶体只会以等温等温的平面界面向前推进 4 在满足胞状晶生长的成分过冷条件下 若增大凝固界面前方的温度梯度GL 则可能出 现柱状树枝晶的生长方式 5 胞状晶生长及柱状树枝晶生长 尽管凝固界面不再平整 其界面仍然保持为等温面 3 6 胞状晶及柱状树枝晶的生长方向均垂直于固 液界面 与热流相反而与晶体学取向 无关 7 各生长方向尺度相近的等轴晶 是不会以树枝晶的方式进行生长的 8 生长方向性较强的非金属晶体 其平衡态的晶体形貌具有清晰的多面体结构 方 向性较弱的金属晶体 其平衡态近乎球形 二 填空题 1 在合金其他性质不变的情况下 若 RGL 比值或 合金成分C0 合金固 溶体结晶形貌变化趋势为 平面晶 胞状晶 柱状树枝晶 内部等轴晶 自由树枝晶 2 形成胞状晶的成分过冷区宽度约在 cm 之间 发展良好的 胞状晶的 横截面往往呈正六边形 胞状晶往往源于一个晶粒 故胞状晶可认为是一种 结构结构 3 熔体内部的过冷度大于 时 将 满足内部等轴晶 自由树枝晶 的生长条件 4 晶体外表面通常为界面能较 的晶面 密排面 因此 对于立方晶体的金属固 溶体 等轴树枝晶生长过程中 所形成的棱与角的狭面为界面能 的晶面 枝晶生 长方向与之垂直 同理 柱状树枝晶主干及二次 三次枝晶的优先生长方向为 排 面的发线方向 5 合金固溶体的固 液界面若以平面向前推进 该界面从温度角度是一 面 与相图上对应于 成分的平衡温度相比 界面实际温度要低 Tk 凝固进 行所需要的 过冷度 6 晶体自型壁生核 然后由外向内单向延伸的生长方式 称为 生长 平 面生长 生长和 生长皆属于外生生长 等轴枝晶在熔体内部 自由生长的方式则称为 生长 7 枝晶间距的表达式中 R与GL乘积的量纲相当于 的量纲 冷却速度越 大 枝晶间距 8 凝固过程枝晶间距越小 合金的成分偏析程度 凝固热裂纹形成倾向 显微缩松及夹杂物分布的分散度 材料的性能 4 三 解答题 1 如图 自左向右凝固的固 液界面温度为Ti 因 成分富集界面前沿液相线以T L X 曲线所示 G1与 G2分别是柱状树枝晶所需成分过冷的上 下临界温度 梯度 The为异质形核所需过冷度 设当前G在G1与 G2之间 1 根据 液态只有扩散 的成分过冷判别式 需 写出 需 写出 若工艺因素 R GL 不变 如何改变合金性 质的参数C0 K0 使固 液界面按胞状晶进行凝固 G3 G2 G1 The Ti TL C0 TL X T X 图 4 4 2 若合金性质不变 如何改变工艺因素使之发生内部等轴晶 内生生长 2 对于练习二中第 2 题的条件 若GL2 25K mm 以作图法求出成分过冷区域的大 约宽度 若该合金固溶体出现柱状树枝晶所需的成分过冷宽度为 800 m以上 在 GL2 25K mm对应的成分过冷度下固 液界面是以何种形态 其晶体前端可达到的 何位置 x 练习四 一 填空题 1 根据 Jackson 因子 共晶的两相均为粗糙 粗糙界面的为第 类共晶 如 金属 金属相共晶或金属 共晶 其典型的显微形态是有规则的 状 或其 中有一相为 状 因此称为 共晶 2 金属 非金属共晶属于第 类共晶体 由于小晶面相 非金属相 晶体长大具有强 烈的 性 且容易发生弯曲和分枝 所得到的组织较为无规则 属于 共 晶 3 属于第 类共晶体 长大过程两相不再是 的方式 所得到的 组织为两相的不规则混合物 也属于 不规则共晶 4 规则共晶协同生长机制 生长过程中 两相各向其界面前沿排出另一组元的原子 由于 前沿富 B 原子 而 前沿富 A 原子 扩散速度正比于溶质的浓度梯度 因此横向扩散速度比纵向大的多 共晶两相通过 扩散不断排走界面前沿积累的 溶质 且又互相提供对方生长所需的 彼此合作 齐头并进地快速向前生长 这种两相协同生长的方式为典型的 生长 5 共晶组织生长中可发生调整而细化 例如 层片状共晶 相前沿的 处因 B 原子扩散困难而浓度升高 其聚集程度随生长速度 R 的 而更为严重 导致 相 在此处推进速度 而形成凹坑 凹坑处 B 原子扩散越发困难 当 B 原子浓度升高 到足以使 相生核 新的 相片层在原 相中心处形成 因此随 R 增大片层距 共生区有 对称型共生区 非对称型共生区 两种类型 前者的合金两个组元熔 点 成分点在相图的中间位置附近 两相长大速度基本 后者 共生区失去 性而偏向于 熔点组元一侧 6 速较快时 有些合金在共晶温度TE以下 共晶点附近一定成分范围内的区域内 可以发生共晶共生生长得到 100 的共晶组织 该区域称之为 区 7 共晶两相没有共同的生长界面 两相的析出在时间上和空间上都是彼此 的 各自以不同的速度 生长 因而形成的组织没有 共晶的特征 这种非共生 生长的共晶结晶方式称为离异 所形成的组织称 8 规则共晶实际凝固中也可出现胞状共晶或树枝状共晶形态 这是由于 组员在 5 界面前沿形成尺度达数百个层片厚度数量级的富集层 产生成分过冷而引起的 在界 面突出的胞状生长中 共晶两相仍 于界面 故两相的层片将会发生 而形成 扇形的 结构 9 规则共晶为层片状还是棒状 主要取决于两相 的差别 当其中一相的体积 分数小于 时 则该相倾向于以棒状方式生长 二 判断题 T 或 F 1 共晶成分合金的实际凝固组织中不可能出现先共晶初生相 即不可能得到亚共晶或过 共晶组织 2 合金的实际凝固组织应按照相图进行分析 所以过共晶成分合金不可能为亚共晶组织 3 较高纯度的二元规则共晶合金结晶时 由于A B 两组元的横向扩散 共生界面 前沿难以形成成分过冷 一般以平坦的共生界面向前推进 4 层片状规则共晶中两相总是以平行的方式交替平直排列 5 灰铸铁 Fe 与 G 石墨 共晶反应过程 领先相石墨呈片状生长且不断发生分枝 及弯曲 而奥氏体则以非封闭晕圈形式包围着石墨片一起长大 这种不规则的共晶 生长不属于共生生长范畴 三 解答题 图 4 5 共晶共生区 1 根据图 4 5 共晶共生区的位置 有人认为 箭 头所示成分的合金 在整个凝固过程中不会进入 到共生区 即合金最终凝固组织中不会有共晶组 织存在 请指出上述观点的正误 并说明理由 2 石墨晶体结构及其晶面与晶向表达见图4 6 随条件的不同 铸铁L Fe G 石墨 共晶反应 有两种完全不同的方式 1 G 突破 Fe 非封闭晕 圈 与熔体相接触以棱柱面法线方向 1010 生长 呈片状 2 G 在 Fe封闭晕圈内以基面法线方向 0001 生长呈球状 某车间有两种铁水 凝固中 G 与铁液界面张力关系分别为 A GL 0001 GL 1010 B GL 0001 GL 1010 图 4 6 石墨的晶体结构与生长方向 试问 哪种铁水 A 还是 B 对应产生第 1 种 共晶反应 第 1 种共晶反应 Fe 与 G 的生长是否属于共晶共生模式 A B 铁 水最终分别得到的是球墨铸铁还是灰铸铁 6 本章综合测试 本章综合测试 一 选择题 1 下面哪一种说法是错误的 A 对于溶质平衡分配系数K0 1 K0越小 最终凝固组织的成分偏析越严重 B 固相无扩散 液相仅有有限扩散 溶质再分配进入稳定阶段的C 为C L 0 K0 C 固相无扩散 液相仅有有限扩散 及 液相部分混合 有对流 的两种溶质 再分配情况下 进入稳定阶段的固相成分均为C0 D 成分为C0的合金 按照平衡相图 当温度由液态降低至TL而开始析出单相固溶体 相时 其液相的成分为C0 其固相成分为C0 K0 2 成分为C0的长条形铸件自左向右定向凝固 对于教材上所描述的四种溶质再分配 条件 凝固过程中液固界面的固相成分C 始终在不断升高的情况有 S A 平衡凝固 及 固相无扩散 液相液相充分混合均匀 条件下的两种凝固情况 B 固相无扩散 液相仅有有限扩散 以外的其他三种 C 除 平衡凝固 以外的其他三种 D 四种溶质再分配条件 11 1 3 3 4 2 距离 凝固开始 凝固终止端 C0 k0C0 溶质浓度 3 右图中 1 2 3 4 为自左向右定向凝固 终了终了的固相溶质分布曲线 属于 液相中部 分混合 的情况为 A 曲线 1 B 曲线 2 C 曲线 3 D 曲线 4 4 下面因素的改变均增加成分过冷程度的是 A 增大R C0 降低GL mL B 增大R DL 降低GL C 降低GL K0 K0 1 及C0 D 增大R C0 K0 K0 1 E B 和 D 5 在共晶合金的凝固中 可能出现的现象是 A 非共晶成分的合金也可以得到 100 的共晶组织 B 共晶成分的合金 一定可以得到 100 的共晶组织 C 共晶成分的合金 也可能得不到 100 的共晶组织 D A 和 C 6 下面论述是错误的为 A 金属 金属相共晶及金属 金属间化合物共晶 为 规则共晶 金属 非金属共晶 及非金属 非金属共晶 所得到的均属于 不规则共晶 7 B 第三组元 K0 1 存在时 若对层片状共晶两相前沿均形成较大成分过冷时 形成胞状共晶 成分过冷进一步增大可形成树枝状共晶组织 C 金属 非金属共晶 由于小晶面相长大具有强烈的方向性易发生弯曲和分枝 所得到 的属于 不规则共晶 因而不可能发生两相协同共生生长 D 在 相 相两固相间界面张力各方向相同的情况下 当某一相的体积分数远大 于另一相时 则该相以棒状方式生长 E C 和 D 二 简答题 1 内生生长 和 外生生长 2 离异生长 及 离异共晶 3 简述层片状规则共晶生长过程中片层距调整而变小的机理 4 简述共晶共生区的概念及其意义 三 解答题 1 设合金在 固相无扩散 液相为有限扩散 的条件下从左到右进行凝固 请画出 以下两图中的溶质分布情况 1 稳态 凝固阶段 固 液两相的溶质分布 2 凝固结束后整个固相中的溶质分布 C C X C C X 稳态凝固稳态凝固 X 2 如图右所示 有一成分为C0 40 的合金 合 金的mL及K0均为常数 DL 6000 m2 s 界面前 沿液体的实际温度梯度GL 160K mm 设单向凝 固中液体中完全没有对流 固态无扩散 试求 出处于出现成分过冷的临界凝固速度R为多 少 若此凝固速度R不变 随凝固进行而温度梯 度GL逐渐降低 则固溶体生长方式会出现何情 况 8 第七章第七章 液态金属与气相的相互作用液态金属与气相的相互作用 第一节 气体的来源与产生 第一节 气体的来源与产生 一 填空一 填空 1 药皮焊条电弧焊时 焊接区气体主要来源于焊条药皮中造气剂的 其中酸性焊 条的造气剂主要是 碱性焊条的造气剂主要是 2 H2O蒸气在加热后的分解产物为 和 在电弧高温作用下还会分解出 原子态的 与 对焊接接头质量极为不利 3 铸造时的气体主要来源于 过程 过程和 4 铸型内的气相组成和含量是随 和 等因素的变化而变化 二 下面各题的选项中 哪一个是错误的 二 下面各题的选项中 哪一个是错误的 1 药皮焊条电弧焊过程中 焊接区的气体包括 1 所采用的保护气体 2 电弧周围的空气介质 3 药皮中的造气剂 4 焊件与焊材表面吸附的水分 2 焊接区内的气体在室温下分解的难易程度由难至易的顺序为 1 惰性气体 普通双原子气体 2 H2O CO2 3 N2 H2 O2 4 N