材料加工原理作业答案

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作业

第一章液态金属的结构与性质

1、如何理解实际液态金属结构及其三种“起伏”特征？

理想纯金属液态结构能量起伏和结构起伏；实际纯金属液态结构存在大量多种分布不均匀、存在方式（溶质或化合物）不同的杂质原子；金属（二元合金）液态结构存在第二组元时，表现为能量起伏、结构起伏和浓度起伏；实际金属（多元合金）液态结构相当复杂，存在着大量时聚时散，此起彼伏的原子团簇、空穴等，同时也含有各种固态、气态杂质或化合物，表现为三种起伏特征交替；能量起伏指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能量也会随时间而不停变化，出现时高时低的现象。结构起伏指液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不断分化组合，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，这样此起彼伏，不断发生着的涨落过程，似乎团簇本身在“游动”一样，团簇的尺寸及内部原子数量都随时间和空间发生着改变的现象。浓度起伏指在多组元液态金属中，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，而且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的现象

2、根据图1-8及式（1-7）说明动力学粘度的物理意义和影响粘度的因素，并讨论粘度在材料成形中的意义

动力学粘度的物理意义：表示作用于液体表面的外加切应力大小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。是液体内摩擦阻力大小的表征

影响粘度的因素：1）液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度也就越高；2）粘度随原子间距δ增大而降低，与δ3成反比；3）η与温度T 的关系总的趋势随温度T 而下降。（实际金属液的原子间距δ也非定值，温度升高，原子热振动加剧，原子间距随之而增大，因此η会随之下降。）4）合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响，如果混合热H m为负值，合金元素的增加会使合金液的粘度上升（H m 为负值表明异类原子间结合力大于同类原子，因此摩擦阻力及粘度随之提高）如果溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，则合金液的粘度将会明显高于纯溶剂金属液的粘度，这归因于合金液中存在异类原子间较强的化学结合键。通常，表面活性元素使液体粘度降低，非表面活性杂质的存在使粘度提高

粘度在材料成形中的意义：

1）粘度对铸件轮廓的清晰程度将有很大影响：在薄壁铸件的铸造过程中，流动管道直径较小，雷诺数值小，流动性质属于层流。此时，为提高铸件轮廓清晰度，可降低液体粘度，此时应适当提高过热度或者加入表面活性物质等；2）影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向：由于凝固收缩形成压力差而造成的自然对流均属于层流性质，此时粘度对流动的影响就会直接影响到铸件的质量；3）影响精炼效果及夹杂或气孔的形成：粘度η较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，会影响精炼效果；铸件及焊缝的凝固中，夹杂物和气泡难以上浮排除，易形成夹杂或气孔；4、影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧：而金属液和熔渣中的动力学粘度η低则有利于扩散的进行，从而有利于脱去金属中的杂质元素；5、熔渣及金属液粘度降低对焊缝的合金过渡的进行有利；6、对缩孔、缩松、晶粒大小和偏析的影响，即η愈大，铸件内部缩孔或缩松倾向增大。另外，η大时，将使凝固过程中对流困难而造成晶粒粗化；

因素，浇注温度越高、充型压头越大，则液态金属的充型能力越好；4、铸件结构方面的因素，在铸件材质、铸型性质及浇铸条件相同的条件下，同体积铸件模数越大，由于与铸型接触的表面积小，散热较缓慢，因而液态金属的充型能力越好。铸件结构越复杂，厚薄过渡面越多，则型腔结构越复杂，流动阻力越大，充型能力也越差。（可以认为合金的流动性是在确定条件下的充型能力。灰口铸铁、硅黄铜的流动性最好；铸钢的流动性最差）

6、试述液态金属停止流动的两种主要机理

液态金属停止流动机理，随金属的结晶特性（取决于结晶温度范围）可分：①窄温度范围，在金属的过热热量未散失尽以前为纯液态流动，为第Ⅰ区，金属液继续流动，冷的前端在型壁上凝固结壳，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。故，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能量。在第Ⅳ区，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。此类金属的流动性与固体层内表面的粗糙度、毛细管阻力及在结晶温度下的流动能力有关；②宽结晶温度合金停止流动机理，对于宽结晶温度范围的合金，试验表明，在液态金属的前端析出15-20％的固相量时，流动就停止。结晶温度范围越宽，枝晶就越发达，液流前端析出相对较少的固相量，即在相对较短的时间内，液态金属便停止流动。具有最大溶解度的合金流动性最小

第二章凝固温度场

1、名词解释：等温面；等温线；温度梯度；热流密度；铸件凝固时间；模数；焊接线能量

等温面：温度场中在同一时刻下相同温度各点所组成的空间曲面。等温线：某个特殊平面与等温面相截的交线。温度梯度：对于一定温度场，沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率。温度梯度越大，图上反映为等温面（或等温线）越密集，具有方向性的物理量（所谓温度梯度就是两相邻等温面之间的温度，温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，其正方向是指向温度增加的方向）。热流密度：单位时间内通过单位面积的热量。铸件的凝固时间：是指从液态金属充满型腔后至凝固完毕所需要的时间。模数：将V1与A1推广理解为一般形状铸件的体积与表面积，并令 R= V1/A1。R-为铸件的折算厚度。[原意：V1-为铸件凝固层的体积（而并非是铸件体积），A1-铸件与铸型的接触面积]。焊接线能量：单位长度焊件上的热输入，即E=q/v，q-为焊接热源的有效输入功率，v-为焊接速度。

2、什么是初始条件和边界条件？常见边界条件有哪几类？

初始条件：是指物体开始导热时（即t = 0 时）的瞬时温度分布；边界条件：是指导热体表面与周围介质间的热交换情。第一类边界条件：给定物体表面温度Tw随时间t的变化关系，表达式为Tw=f(t)；第二类边界条件：给出通过物体表面的比热流随时间t的变化关系，表达式为；第三类边界条件：给出物体周围介质温度以及物体表面与周围介质的换热系数，表达式为：。以第三类边界条件最为常见。

3、从界面阻热的变化讨论铸件凝固过程温度场分布

①金属铸件与绝热型铸型—类型：砂型、石膏型、陶瓷型等多数非金属铸型属此类，铸型导热系数远小于凝固金属；特点：凝固铸件内及液态金属中温度分布可认为是近似均匀的。此