《材料成形基本原理（第3版）》 习题及答案 第一章 单元复习题

PAGEPAGE1第一章单元复习题练习一一、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。6、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。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：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（也称为成分起伏）。9、对于液态合金，若同种元素间不同元素的原子间结合力，(A-A、B-B)(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“拓扑短程序”；若熔体的异类组元具有负的，往往(A-B)＞(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、二、判断题（括号中添“√”或“×”）1、在描述液体结构时，以结构参数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、（）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。（）练习二填空题作用于液体表面切应力τ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η表示。要产生相同的速度梯度dVX/dy，液体阻力越大，则η越大，所需外加剪切应力也。液体粘度的常用单位为或。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η随原子间结合能U按指数关系增加，即（公式）：。此外，粘度随原子间距δ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。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。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）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。两相间结合力，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。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。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，dσ/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Γ＞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η、夹杂或气泡半径r、夹杂或气泡ρB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。润湿角与界面张力θ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。润湿角与界面张力θ假设γGL保持不变，讨论γLS大于、小于及等于γGS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η=0.0049Pa﹒S，钢液的密度为7000kg/m3，表面张力为1500mN/m，加铝脱氧，生成密度为5400kg/m3的Al2O3，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。第一章单元复习题参考答案练习一一、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，液体可压缩性很低。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，若同种元素间不同元素的原子间结合力，(A-A、B-B)＞(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(A-B)＞(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、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、（×），练习二填空题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dVX/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。液体粘度的常用单位为Pa·S或mPa·S。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：。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Hm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。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。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）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/m2或erg/cm2表示。两相间结合力越大，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。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），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（1.04Å）小于Fe的半径（1.27Å），S大为降低铁液的表面张力，而Pb原子半径（1.75Å）大于Al的半径（1.43Å），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：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。γGLγGSγGLγGSθγLSθγLS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fmax大小为：因此，=fmaxT/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fmax越大，裂纹越难形成。5、答：根据流体力学的斯托克斯公式：，式中：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，ρB为夹杂或气泡。m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，液态金属密度及