材料成形基本原理(刘全坤)课后答案#答案参考

1、第一章液态金属的结构和性质练习1.液体、固体和气体之间有什么异同？哪些现象表明金属熔化并不是原子间结合力的完全破坏？答：(1)液体、固体和气体之间的异同可以在下表中解释相同点差异液体有自由表面的；可压缩性非常低它具有流动性，不能承受剪切应力。长程无序，短程有序固体它没有流动性，可以承受剪切应力。远程订购液体完全占据容器空间，获得容器内腔的形状；有流动性长程无序，短程有序；有自由表面的；可压缩性非常低气体完全混乱。没有自由表面；具有高压缩性(2)金属的熔化并不是原子间结合力的完全破坏，这可以从以下两个方面来解释：(1)材料熔化时，体积变化、熵变化和焓变化一般不大。当金属熔化时，典型的体积变化Vm

2、/V约为3%5%，表明液体的原子间距接近固体的原子间距，其系统混沌仅略大于固体，远小于接近熔点的气体。(2)金属熔化潜热Hm约为汽化潜热Hb的1/151/30，表明熔化过程中只有部分内部原子键被破坏。可以看出，金属的熔化并不是原子间键的完全破坏，液态金属中原子的局部分布仍具有一定的规律性。2.如何理解均匀分布函数g(r)的物理意义？液体的配位数N1和平均原子间距r1分别代表什么？答：分布函数g(r)的物理意义：从某个参考粒子R中找到另一个粒子的概率，换句话说，距离R处参考原子(在坐标原子r=0处)的数密度(r)与平均密度o(=N/V)的相对偏差。N1代表参考原子周围最近的邻居(即第一个壳层)原

3、子序数。R1表示参考原子和其周围第一配位层中每个原子之间的平均原子距离，也表示液体的平均原子距离。3.如何理解液态金属结构的“长程无序”和“短程有序”？给出了几个实验例子来说明液态金属或合金结构的短程有序化(包括拓扑短期程序和化学短期程序)。答：(1)长程无序是指液体的原子分布相对于周期性有序晶体是不规则的，液体结构在宏观上没有平移和对称性。短程有序是指在液体中存在许多局部有序原子团，这些原子团相对于完全无序的气体不断地“漂移”。(2)说明液态金属或合金结构的短程有序化的实验实例(1)均匀分布函数的特征对于气体，由于其粒子(分子或原子)统计分布的均匀性，其均匀分布函数g(r)在任何位置都是相等

4、的，显示出一条直线g(r)=1。因为结晶固体的原子以特定的方式周期性排列，它的g(r)根据相应的规律分成几个尖锐的峰。然而，液体的g(r)具有一些衰减的钝化峰，直到几个原子间距，然后趋于直线g(r)=1，这表明液体具有半径只有几个原子间距的短程有序局部范围。(2)从金属熔化过程的角度当材料熔化时，体积变化、熵变化和焓变化一般都不大。当金属熔化时，典型的体积变化Vm/V约为3%5%，表明液体的原子间距接近固体的原子间距，其系统混沌仅略大于固体，远小于接近熔点的气体。另一方面，金属熔化潜热Hm约为汽化潜热Hb的1/151/30，表明熔化过程中只有部分内部原子键被破坏。可以看出，金属的熔化并不是原子

5、间键的完全破坏，液态金属中原子的局部分布仍具有一定的规律性。可以说，在熔点(或液相线)附近，液态金属(或合金)的原子团内的短程结构与固态相似。(3)李氏等对碱金属、金、银、在含有锂铅、铯金、镁铋、镁锌、镁锡、铜钛、铜锡、铝镁、铝铁等金属间化合物的固态二元熔体中，存在化学短程序。4.如何理解实际的液态金属结构及其三个“起伏”特征？答：理想的纯金属是不存在的，尽管在非常纯的实际金属中总是有大量的杂质原子。实际金属和合金的液体是由大量的团簇和空洞组成的，这些团簇和空洞在时间上聚集和分散，并一个接一个地移动。同时，它还含有各种固体、液体或气体杂质或化合物，它还表现出能量、结构和浓度的三个起伏。它的结构

6、相当复杂。能量波动是指液态金属热运动中原子的能量是高还是低，同一原子的能量随时间不断变化，有高有低。结构波动是指液态金属中大量“浮动”原子团簇的不断分化和组合。由于“能量波动”，一些金属原子(离子)从某个簇中分化出来，而其他原子结合成簇。这种波动过程一个接一个地发生。看起来星团的大小和星团内的原子数量随着时间和空间而变化。浓度波动是指在多组分液态金属中，由于同一个元素和不同元素之间原子结合力的不同，结合力较强的原子容易聚集在一起，将其他元素推出原位，这表现为悬浮原子团簇之间的组成不同，这种局部组成的不均匀性随着原子的热运动而不时发生变化。5.根据图1-10和公式(1-7)，解释了动态粘度的物理

7、意义，并讨论了液体粘度(内摩擦阻力)与液体原子结合力之间的关系。答：物理意义：作用在液面上的应力的大小与垂直于平面的速度梯度dVX/dy之间的比例系数。通常，液体的粘度表示为。这里是玻尔兹曼常数，U是原子间的结合能(或原子扩散势垒)，没有外力，C是常数，T是热力学温度。根据这个公式，液体的粘度随结合能u呈指数增加，可以理解为液体原子间的结合力越大，内摩擦阻力越大，粘度越高。6.总结温度、原子间距(或体积)、合金元素或微量元素对液体粘度的影响。答：与温度T的关系受两个方面的共同制约(成正比的线性关系和负指数关系)，但总趋势随着温度T的降低而降低粘度随着原子间距的增加而降低，并且与成反比。合金成分

8、或微量元素对合金液体粘度的影响相对复杂。许多研究者试图描述二元合金液体的粘度规律，其中M-H(Moelwyn-Hughes)模型是：(1-9)在公式中，1、2、X1和X2分别是纯溶剂和溶质的粘度及其在溶液中的摩尔分数，R是气体常数，Hm是两种组分的混合热。根据M-H模型，如果混合热Hm为负，合金元素的增加将增加合金液体的粘度。根据热力学原理，负Hm表示异质原子之间的结合力大于同质原子之间的结合力，因此摩擦阻力和粘度相应增加。M-H模型得到了一些实验结果的验证。当溶质和溶剂在固态下形成金属间化合物时，由于合金液中异质原子之间的强化学键，合金液的粘度将明显高于纯溶剂金属液。当合金液中存在表面和界面

9、活性微量元素(如铝硅合金改性元素钠)时，微量元素抑制了冷却过程中原子团的聚集和生长，从而阻碍了金属液粘度的增加。通常，表面活性元素降低液体的粘度，而非表面活性杂质的存在增加了粘度。8.过共析钢水=0.0049帕。s，钢水密度为7000公斤/立方米，表面张力维为1500毫牛顿/米，加入铝脱氧生成密度为5400公斤/立方米的氧化铝。如果Al2O3颗粒能浮在钢水表面，就能获得高质量的钢。如果脱氧产物产生于1524毫米的深度，试着在脱氧2分钟后确定漂浮在钢水表面上的Al2O3的最小颗粒尺寸。答：根据流体力学的斯托克斯公式，其中：是夹杂物和气泡的漂浮速度，r是气泡或夹杂物的半径，m是液态合金的密度，B是

10、夹杂物或气泡的密度，g是重力加速度。m9.分析物质表面张力的成因及其与物质原子间结合力的关系。答：表面张力是由施加在表面颗粒上的不均匀力引起的。由于液体或固体的表面原子在气体方向上受到更大的内力和更小的力，由于不均匀的力，表面原子的势能高于内部原子的势能。因此，物体倾向于减小其表面积并产生表面张力。原子间的结合力越大，表面内能越大，表面张力越大。然而，表面张力的影响因素不仅仅是原子间的结合力，而且还有许多与上述论点相反的例子。研究发现，某些高熔点物质的表面张力低于低熔点物质。例如，镁和锌都是二价金属，镁的熔点为650，锌的熔点为420，但镁的表面张力维值为559 Mn/m；锌的表面张力为782

11、毫牛顿/米。此外，还发现金属的表面张力通常比非金属大几十倍，比盐大几倍。这表明仅靠原子间的结合力无法解释所有的问题。对于金属，也应该考虑自由电子的特性。10.表面张力和界面张力有什么异同？界面张力和界面两侧粒子间的结合力之间的关系是什么？答：界面张力和界面自由能的关系相当于表面张力和表面自由能的关系，即界面张力和界面自由能的大小和单位也是一样的。表面和界面之间的区别在于，后者通常指两相之间的界面，而前者具体指液体或固体与气体之间的界面，但更严格地说，它应指液体或固体与蒸汽之间的界面。广义地说，物体(液体或固体)和气相之间的界面能，以及界面张力维物体的表面能和表面张力。当两相一起形成界面时，界面

12、张力的大小与界面两侧颗粒之间的结合力的大小成反比(两相)。两相之间的结合力越大，界面能越小，界面张力越小。如果两相之间的结合力小，界面张力将大。相反，同一种金属(或合金)的液体和固体之间的界面张力很小，因为两者很容易结合。14.影响液态金属表面张力的因素有哪些？试着总结他们的规律。答：影响液态金属表面张力的因素有：(1)原子间的结合力原子间的结合力越大，表面内能越大，表面张力越大。然而，表面张力的影响因素不仅仅是原子间的结合力。研究发现，一些高熔点物质的表面张力低于低熔点物质。此外，还发现金属的表面张力通常比非金属大几十倍，比盐大几倍。这表明仅靠原子间的结合力无法解释所有的问题。对于金属，也应

13、该考虑自由电子的特性。(2)温度液态金属的表面张力通常随着温度的升高而降低，因为原子间距随着温度的升高而增大。(3)合金元素或微量杂质元素合金元素或微量杂质元素对表面张力的影响主要取决于结合力的变化合金元素对表面张力的影响也反映在溶质和溶剂原子体积的差异上。当溶质的原子体积大于溶剂的原子体积时，势能由于原子排列的扭曲而增加，因此倾向于被推出到表面以减少整个系统的能量。这些元素富集在表面层中，由于它们的原子体积大和表面张力低，降低了整个系统的表面张力。原子体积很小的元素，如氧、硫、氮等。容易进入金属中的焊剂间隙以增加势能，从而被推出到金属表面并成为表面上富集的表面活性物质。因为这些元素具有非常弱

14、的金属性和很少的自由电子，所以表面张力很小，这也降低了金属的表面张力。(4)溶质元素的自由电子数对于具有大量自由电子的溶质元素，由于表面双电层的大电荷密度，整个系统的表面张力增加，这导致金属表面上的大压力。这种化合物表面张力低的原因是它的自由电子较少。15.将枝晶间的液体设置在凝固后期相互隔离，液膜两侧晶粒的拉应力为1.5103兆帕，液膜厚度为1.110-6毫米。根据液膜理论计算产生热裂纹的液态金属的临界表面张力。回答：=f T/2=0.825牛/米16.尝试描述液态金属的充型能力与流动性的关系和区别，分析合金成分和结晶潜热对充型能力的影响规律。答：(1)液态金属填充型腔以获得形状完整、轮廓清

15、晰的铸件的能力，即液态金属填充模具的能力，简称液态金属填充能力。液态金属本身的流动性被称为“流动性”，是液态金属的技术特性之一。液态金属的填充能力首先取决于金属本身的流动能力，同时受到外部条件的影响，如模具性能、浇注条件、铸造结构等因素，这些因素是各种因素的综合反映。在工程应用和研究中，通常在相同的条件下浇注各种合金的流动性试样(如相同的铸型性能、浇注系统、浇注过程中控制相同的合金液过热度等)。)，合金的流动性由样品的长度表示，合金的填充能力由合金的测量流动性表示。因此，可以认为合金的流动性是一定条件下的填充能力。对于同一合金，流动性试样也可用于研究各种铸造工艺因素对其充型能力的影响。(2)合

16、金的化学成分决定了结晶温度范围，结晶温度与流动性之间有一定的规律。一般来说，在流动性曲线上，对应于纯金属、共晶成分和金属间化合物的流动性最好，流动性随着结晶温度范围的增加而降低，在最高结晶温度范围流动性最差，即填充能力随着结晶温度范围的增加而越来越差。对于纯金属、共晶和金属间化合物的合金，在固定的凝固温度下，凝固的固相层从表面向内部逐渐推进，固相层的内表面相对光滑，对液体的流动阻力小，合金液体的流动时间长，流动性好，填充能力强。然而，当具有宽结晶温度范围的合金在模腔中流动时，在横截面上存在两相区，在该两相区中发达的枝晶与未凝固的液体混合。金属液体的流动性差，填充能力差。(3)对于纯金属、共晶和金属间化合物合金，在正常铸造条件下，潜热释放越多，凝固过程越慢，流动性越好，填充能力越强。然而，对于具有宽结晶温度范围的合金，在潜热释放15-20%之后，晶粒连接成网络并停止流动，并且潜热对填充能力几乎没有影响。然而，也有例外答：翼板铸造中经常出现的“浇注不足”的缺陷，可能是由于熔融金属的填充能力不足造成的。可以采用以下工艺来提高产率：(1)使用蓄热系数小的模具来提高熔融金属的填充能力；采用预热模具的方法来降低金属与模具之