第一章至第七章阶段测验A卷参考答案(李泽亮等同学整理)

《材料成形原理》阶段测验（第一章）班级：姓名：学号成绩：1、下图中偶分布函数g(r)，液体g(r)为c图，晶态固体g(r)为a图，气体g(r)为b图。

（a）（b）（c）2、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。

3、对于液态合金，若同种元素的原子间结合力F(A-A、B-B) 大于异类元素的原子间结合力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”。

4、液体的原子之间结合力（或原子间结合能U）越大，则内摩擦阻力越大，粘度也就越大。

液体粘度η随原子间结合能U按指数关系增加，即（公式）：⎪⎪⎭⎫⎝⎛=TUTBBkexpk23τδη。

5、加入价电子多的溶质元素，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大。

6、铸件的浇注系统静压头H越大，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。

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

9、右图为碱金属液态的径向分布函数RDF，请在图中标注液态K的平均原子间距r1的位置，并以积分面积（涂剖面线）表达液态K的配位数N1的求法。

见图中标注10、试总结原子间相互作用力、温度、原子间距、表面活性元素对液态金属的粘度、表面张力的总体规律。

（可写于背面）原子间相互作用力越大，粘度越大，表面张力越大；温度越高，粘度越小，表面张力越小；原子间距离越大，粘度越小，表面张力越小；表面活性元素降低金属粘度，降低表面张力。

（第二章）班级： 姓名： 学号 成绩：1、 右图为半无限大平板铸件凝固过程的一维不稳定温度场示意图。

写出下列参数的含义：λ2为：铸型的热导率c 2为：铸型的比热容ρ2为：铸型的密度T i 为：界面处温度2222ρλc b =为：铸型的蓄热系数2、判断正误（划√或×）（1）其它条件相同，铸件温度场的温度梯度在砂型中小于金属型中的温度梯度。

（ × ）（2）砂型的蓄热系数小于金属型的蓄热系数。

（ √ ） （3）随凝固时间的延长，铸件温度场的温度梯度铸件变大。

（ × ）（4）其它条件相同，铜焊件的600℃的等温椭圆面积小于碳钢焊件相应椭圆面积。

（ √ ）（5）随铸件断面温度梯度的减小，相同合金铸件越趋向于逐层凝固方式。

（ × ）（6）其它条件相同，随碳钢含碳量的增大，铸件越趋向于体积凝固方式。

（ √ ）（7）其它条件相同，焊件板材厚度越小，焊件温度场的等温椭圆面积越小。

（ × ）（8）其它条件相同，焊接速度越大，焊件温度场的等温椭圆面积越小。

（ √ ）3、右图为某平板熔焊过程中焊件表面的温度分布状况。

在图中画出最小温度梯度方向，并指出焊接方向及当前热源位置。

答: 最小温度梯度方向:从A 向左；焊接方向:从A 到B ；当前热源位置:A4、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，根据图形分别说明：（1）金属型及砂型中距铸件表面75mm 处的起始凝固时刻及凝固结束时间答：起始凝固时间 凝固结束时间金属型7min 9min 砂型 25min45min （2）指出金属型及砂型中铸件的凝固方式答:金属型中为逐层凝固方式；砂型中为体积凝固方式。

xT i 铸件 1a λ1 c 1 ρ1 铸型 2a λ2 c 2 ρ2 T 0 图2-3 无限大平板铸件凝固温度场分布 T 20 T 10 焊接方向（第三章）班级： 姓名： 学号 成绩：1、判断正误（划√或×）（每题5分）（1）金属熔体从高温冷却降温，一旦温度冷却至平衡熔点T m ，即开始发生凝固。

（×）（2）临界晶核半径r *与过冷度ΔT 成反比，即ΔT 越大（温度越低），则r *越小。

（√）（3）非均质形核与均质形核相比，两者临界半径r*相同，形核功ΔG *也相同，但前者临界过冷度ΔT *比后者小很多。

（×）（4）非均质形核过程，新生晶体与杂质基底之间的界面张力σSC 越小，润湿角θ越小，形核功ΔG *越小，形核临界过冷度ΔT *越小，形核率越高。

（√）（5）晶体按螺旋位错机制生长，任何情况下生长速度R 与过冷度ΔT 的平方成正比。

（×）（6）凝固界面微观结构，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，与冷却条件等其它因素无关。

（×）2、填空（每题3分）（1）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ΔG 随r 增大而减小，固体质点才能稳定存在，称为晶核；在r ＜r*时，G ∆随r 增大而增大，这时不稳定的固体质点还不能称为晶核，而只能称为晶胚。

而对应于r=r *的系统自由能最大值ΔG *称为形核功。

（2）临界晶核半径r *与过冷度ΔT 成反比关系。

形核功与过冷度的关系为ΔG *∝Δ2-T ，过冷度ΔT 越小，ΔG *越大，ΔT →0时，ΔG *→∞，这表明过冷度很小时不能形核，也从数学上证明了为什么物质凝固必须要有一定过冷度。

3、右图：①纵坐标G ∆表示什么？②曲线1、2分别代表什么？③在图上标注临界晶核半径r *及形核功ΔG *。

④结合V G ∆及SL σ写出G ∆对球形晶体r 的表达式；⑤推导临界晶核半径表达式r *T H T V m m s SL ∆⋅∆⋅⋅=σ2。

（5×3=25分） ①纵坐标G ∆表示系统的自由能改变；②1代表表面自由能变化，2代表体积自由能变化；③见课本54页图3-3； ④SL S V SL V S V G A G V V G σππσ23r 4r 34+∆=+∆=∆;⑤()T H T V T TH G G V V G V G G S SL V VS SL SL S V SL S V ∆⋅∆⋅⋅=∆∆-=∆∆⋅-=⇒=+∆⇒=+∆=∂∆∂m m m m 22r ，代入得又2r 02r 0r 8r 4r σσσσππA 卷 4、根据Jackson 因子⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=νηαm kT H m ~指出：①α大小与凝固界面结构类型的关系；②界面结构与熔融熵f S ~∆的关系；③晶面族(密排或非密排晶面)对凝固界面粗糙度的影响。

（5×3=15分） ①α≤2时，界面为粗糙界面；α＞5时，界面为光滑界面；2＜α＜5时，界面可为光滑界面也可为粗糙界面。

② 熔融熵越小，越易形成粗糙界面。

③ 密排晶面易形成光滑界面，非密排晶面易形成粗糙界面。

C L （x')=O C L *C S (x )L X'C ，%X O'S 凝固方向液相只有有限扩散凝固条件下溶质再分配材料成形原理》阶段测验（第四章）班级： 姓名： 学号 成绩：1、判断正误（划√或×）（每题5分）（1）右图所示成分为C 0的合金熔体，实际凝固结束时，其组织中必然为单相固溶体。

（×）（2）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。

（√ ）（3）“液相部分混合”（有对流作用）的溶质再分配，若液相容积很大以及容积并非很大情况下，'x ＞＞δN 处的)'(x C L 均为C 0，。

（×）（4）G L =0''')(=∂∂x L x x T 表示凝固界面处液体实际温度梯度G L 正好与)'(x T L 曲线相切，为成分过冷是否出现的临界点。

（√）（5）如果某合金的当前凝固存在成分过冷程度处于“胞状晶”生长方式的范围内，若大幅度增大R ，生长方式有向“柱状树枝晶”变化的可能。

（√）（6）生长方向性较强的非金属晶体，其等轴晶体的形貌为具有清晰的多面体结构。

（√）（7）柱状树枝晶的生长方向垂直于凝固界面，与热流相反而与晶体学取向无关。

（×）（8）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。

（√ ）（9）若突然增大定向凝固的工艺参数R ，G L ，一次枝晶间距及二次枝晶间距均变小。

（√ ）（10）规则共晶也可能出现胞状共晶或树枝状共晶形态。

这是由于第三组员在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。

（√）2、右图中，若设△C 0=C 0/ K 0－C 0，解答下题：（1）在纵坐标合适位置标注C 0，当前凝固界面上C *S =（C 0），C *L =（C 0/ K 0）；（6分） （2）以合适的“{”在图上标注△C 0高度；(4分) （3）在C = C 0直线上以“↔”标注λ=R D L ；(5分) （4）在0'=x 处的浓度梯度（斜虚线斜率）C G 为：=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂==0''')(x L C x x C G R D C L /0∆- （5分） （5）写出公式: )'(x C L = '0000011)'(x D R D R L L L e C C x e K K C x C --∆+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡'-+= (5分) 3、写出“液相只有有限扩散”条件下成分过冷判别式；并依据此式讨论：R 、G L 、C 0对成分过冷写出倾向的影响规律，以及凝固界面前沿晶体形貌的影响规律。

（6×3=18分）答：“液相只有有限扩散”条件下成分过冷判别式为：R G L ＜000)1(K K D C m L L - 讨论：R 、C 0越大，G L 越小：则成分过冷出现的可能性越大，或其程度越大；随之，凝固△C 0 R D L界面从无成分过冷时的平整凝固界面依次向胞状晶→胞状树枝晶→柱状树枝晶发展，当界面前方内部熔体的成分过冷度满足异质形核条件时，则出现内部等轴晶，从而发生内生生长。

4、如何从热力学上理解球状石墨的形成机理？(7分)答：在一般工业Fe-C合金中，由于氧、硫等第三组元杂质的影响，基面界面与铁液的张力大于柱面界面与铁液的张力，即σG-L[000l]＞σG-L[1010]，石墨以柱面与铁液相接触，则系统自由能较低，共晶石墨则以前述旋转孪晶生长机制沿[1010]方向生长，从而形成片状石墨结构的共生共晶组织。