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1、材料成型原理材料成型原理第一章（第二章的内容）第一部分：液态金属凝固学1.1 答：（1）纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。原子集团的空穴或裂纹内分布着排列无规则的游离的原子，这样的结构处于瞬息万变的状态，液体内部存在着能量起伏。（ 2）实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡组成的鱼目混珠的“混浊”液体，也就是说，实际的液态合金除了存在能量起伏外，还存在结构起伏。1.2 答：液态金属的表面张力是界面张力的一个特例。表面张力对应于液气的交界面，而界面张力对应于固液、液气、固固、固气、液液、气气的交界面。表面张力 和界面张力 的关系如（ 1） 2
2、/r, 因表面张力而长生的曲面为球面时，r 为球面的半径； （ 2） （1/r 1+1/r 2）, 式中 r 1、r 2 分别为曲面的曲率半径。附加压力是因为液面弯曲后由表面张力引起的。1.3 答：液态金属的流动性和冲型能力都是影响成形产品质量的因素；不同点：流动性是确定条件下的冲型能力，它是液态金属本身的流动能力，由液态合金的成分、温度、杂质含量决定，与外界因素无关。而冲型能力首先取决于流动性，同时又与铸件结构、浇注条件及铸型等条件有关。提高液态金属的冲型能力的措施：（ 1）金属性质方面：改善合金成分；结晶潜热 L 要大；比热、密度、导热系大 ; 粘度、表面张力大。（ 2）铸型性质方面：蓄热
3、系数大；适当提高铸型温度；提高透气性。（ 3）浇注条件方面：提高浇注温度；提高浇注压力。（ 4）铸件结构方面：在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度；降低结构复杂程度。1.4解：浇注模型如下：则产生机械粘砂的临界压力 2/r第 1 页 共 16 页材料成型原理显然r 1 0.1cm 0.05cm2则 2 * 1.5 6000Pa40.5 * 10不产生机械粘砂所允许的压头为60000.08mH / （ 液 *g ）7500 * 101.5解：由 Stokes 公式2r2 (r1 r )上浮速度v29r 为球形杂质半径， 1 为液态金属重度， 2 为杂质重度， 为液态金属粘度1 g* 液 10*7
4、500 750002 g2* MnO 10*5400 54000（ 32）所以上浮速度0.1* 10）* (75000v 2 *54000 9.5mm/s9 * 0.00493.1 解：（ 1）对于立方形晶核 G方 a3 Gv+6a2 令 d G方 /da 0即 3a2 Gv+12a 0，则临界晶核尺寸a* 4 / Gv，得 a * Gv，代入4 G方 * a*3 Gv 6 a *2 a * Gv 1 a *2 Gv42均质形核时 a* 和 G方 * 关系式为： G方 * 1a *3 Gv2（ 2）对于球形晶核G球* 4 r *3 Gv+4 r *23临界晶核半径r * 2 / Gv，则 G球
5、 * 2 r *3 Gv3所以 G球* / G方 * 2 r *3 Gv/(1a *3 Gv)32将 r* 2 / Gv， a* 4 / Gv 代入上式，得 G球 * / G方 * /61 ，即 G球* 0 时，晶体生长以平面方式生长；如果 GL0，晶体以树枝晶方式生长。4.1 答：用 Chvorinov公式计算凝固时间时，误差来源于铸件的形状、铸件结构、热物理参数浇注条件等方面。半径相同的圆柱和球体比较，前者的误差大；大铸件和小铸件比较，后者误差大；金属型和砂型比较，后者误差大，因为后者的热物性参数随温度变化较快。4.2答：铸件凝固时间 t R2,R 为折算厚度， K 为凝固系数，又由于V，
6、在相同体积的条2RKA件下，立方体。等边圆柱和球三者中，球的表面积最小，所以球的折算厚度R 最大，则球形冒口的凝固时间t 最大，最有利于补缩。4.3解：焊接熔池的特征：（ 1）熔池体积小；（ 2）熔池温度高；（ 3）熔池金属处于流动状态；（ 4）熔池界面的导热条件好，焊接熔池周围的母材与熔池间没有间隙。焊接熔池对凝固过程的影响：(1) 母材作为新相晶核的基底，使新相形核所需能量小，出现非均匀形核，产生联生结晶（外延结晶） ；(2) 熔池金属是在运动状态凝固的，焊缝的柱状晶总是朝向焊接方向并且向焊缝中心生长，即对向生长；(3) 焊接熔池的实际凝固过程并不是连续的，柱状晶的生长速度变化不是十分有规
7、律。4.4 解：溶质再分配：合金凝固时液相内的溶质一部分进入固相，另一部分进入液相，溶质传输使溶质在固液界面两侧的固相和液相中进行再分配。影响溶质再分配的因素有热力学条件和动力学条件。4.5 解：设液相线和固相线的斜率分别为L 和 m ，mS第 3 页 共 16 页材料成型原理如上图：液相线： T* Tm mL(C l* -0)固相线： T* Tm m (C s* -0)S得：T * TmmS CS* 1T * Tm*mL CL即CS*mL kCL* mS0由于 mL 、 mS 均为常数，故k0Const.4.5 解： （ 1）溶质分配系数0CSCsm6.65 %=0.171k =CLCE33
8、%当 fs 10时，有*k010.1711fs ) 0.171*1 * （ 1 10）C s k0C0 (1 0.187CL* C 0 f L k01 CS* 0.00187 1.09 k00.171第 4 页 共 16 页材料成型原理（ 2）设共晶体所占的比例为f L ，则CL* C0 fL k01 CECE133%1则 f L （k01)0.17110.12C0） (5.65%（ 1）沿试棒的长度方向Cu 的分布曲线图如下：5.1 答：金属凝固时，完全由热扩散控制，这样的过冷称为热过冷；由固液界面前方溶质再分配引起的过冷称为成分过冷.成分过冷的本质：由于固液界面前方溶质富集而引起溶质再分配
9、，界面处溶质含量最高，离界面越远，溶质含量越低。由结晶相图可知，固液界面前方理论凝固温度降低，实际温度和理论凝固温度之间就产生了一个附加温度差T，即成分过冷度，这也是凝固的动力。5.2 答： 影响成分过冷的因素有G、 v、 DL、 m、 k0、C0，可控制的工艺因素为DL。过冷对晶体的生长方式的影响：当稍有成分过冷时为胞状生长，随着成分过冷的增大，晶体由胞状晶变为柱状晶、柱状树枝晶和自由树枝晶，无成分过冷时，以平面方式或树枝晶方式生长。晶体的生长方式除受成分过冷影响外，还受热过冷的影响。GL5.3 答：影响成分过冷范围的因素有：成分过冷的条件为mL C0 (1 k0 )PA ,所以 A 点先屈
10、服，即圆筒部分先屈服。（ 2）屈服时 P2rs ，且r 0,zPgr ,Pgr3 t2ttr则m根据 d i j3d gz Pgr 2ti j ，得rPgr,2t0, Pgrz2td rd, d z0 ， 且 d r0, d0又有等效应变增量：第 14 页 共 16 页材料成型原理d2(d z d ) 2(dd r )2(d r d z )23即 (d r )2(2 d r )2( d r )292 ，d r23002对应的应变增量张量为：0000032327 解： r 方向的静力平衡方程r grdgH( rdr )(rdr ) d gH2sin d gdr gH 2f dr grd0dr2d
11、rrdr2 frHdr假设轴对称均匀变形r, d rfHr ,z 都为压应力，且zr令 1r ,3z由屈服准则得：13zr,d rdzd z2 fdrz2f g rCHH边界条件： rR0 时，r0,zCR02zHP1R022 rdrzR00r2H(2R0 )H8解：在圆锥面上取单元体，令OA r， drdsingdr sin沿方向列平衡方程(d)( r dr )dgt 2drt gsin dgr gdgt 0) drsin2d(r第 15 页 共 16 页材料成型原理因为为拉应力，为压应力， 1, 3由 Mises 塑性条件：13 ddrln rCr边界条件： rD0时，0Cln D022lnDd0时，D00 ，则当 rln2r2d0拉深力 Pd0td0t ggln D0d0第 16 页 共 16 页
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