第一章课后作业答案

1、课后作业答案第一章练习一一、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 。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(r)对于平

2、均数密度o（=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

3、，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

4、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，若同种元素的原子间结合力大于不同元素的原子间结合力，即F(A-A、B-B) 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”。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，

5、在液体中就出现新的固相。10、金属熔化潜热Hm比其气化潜热Hb小得多（表1-2），为1/151/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。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、（ × ），近年，人们发现液态Ga、Cs、Se、I、Bi 、Te等元素以及石墨熔体的某些物理性质随压力出现异常非连续变化，Katayama等利用对液态磷进行高压X-衍射实验，证实了液态磷中发生压力诱导型非连续

6、液-液结构转变；我国及国外的学者也以多种手段揭示，一些合金熔体的性质与结构随温度发生非连续变化。练习二一、 填空题1、 作用于液体表面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，称为动力学粘度，通常以表示。要产生相同的dVX/dy，液体的 内摩擦 阻力越大，则越大，所需外加剪切应力也越大。2、 液体粘度的常用单位为Pa·S或mPa·S。3、 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。液体粘度随原子间结合能U按指数关系增加，即：。4、 此外，粘度随原子间距增大而降低，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

7、粘度上升，通常，表面活性元素使液体粘度降低。5、 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。6、 虽然表面张力与表面自由能是不同的物理概念，但都以（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。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、 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

8、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

9、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（1.27 Å），S大为降低铁液的表面张力，而Pb原子半径（1.75 Å）大于Al的半径（1.43 Å），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：金属液粘度越低、产

10、生的夹杂或气泡半径r越大、夹杂或气泡密度B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。GLGS3、答：各张力（符号）如图所示，润饰角与张力之间的平衡关系式为： LS假设GL保持不变：LS<GS，则<90o，即润饰角为锐角，液相对固相润饰。LS越小，则润饰角越小，表明液相对固相的润饰性越好；LS>GS，则>90o，即润饰角

11、为钝角角，液相对固相不润饰。LS越大，则润饰角越大，表明液相对固相的润饰性越差；LS=GS，则=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，m为液体合金密度，B为夹杂或气泡密度，g为重力加速度。m练习三一、填空题1、充型能力

12、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，液态金属密度及比热、合金的结晶潜热越大，浇注温度、铸型温度T型越高，充型能力越强。5、铸型的C2、2、2越大即蓄热系数b2（）越大，铸型的激冷能力就越强，金属液于其中保持液态的时间就越短

13、，充型能力下降。二、选择题1、A正确。最小壁厚从小到大的正确排列顺序为：熔模铸造、砂型、金属型，原因在于铸型的传热及蓄热性质的高低。具体大小见教材表1-4。2、B、错。通常，在共晶成分处的合金有最好的流动性。但也有例外的情况，对于Al-Si合金，由于潜热的影响，最好流动性并不在共晶成分处（Si12.6%），而是在含Si量为18-20%左右，这是因为Si晶体结晶潜热为180.7×104J/kg，为-Al(38.9×104J/kg)的4倍以上，而且，过共晶成分Al-Si合金的初生块状Si强度较低，不容易形成坚固的枝晶网络，结晶潜热的作用得以发挥。与之相似，灰口铸铁由于石墨高的结

14、晶潜热（383×104J/kg，约为Fe的14倍），最佳流动性也在过共晶成分。3、D错。牌号确定的铸件，因组织及性能的要求，其成分往往不可以随意改变。应该从工艺上采取措施。4、A错。根据Fe-C相图，成分范围C2.0%-4.3%的Fe-C合金，结晶温度范围随含C量的增加而减小，因此流动性变好。纯金属、共晶成分合金及结晶温度很窄的合金停止流动机理示意图三、问答及计算题：1、答：对于纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围很窄的合金，其停止流动机理如右图所示。在金属的过热量未散失尽以前为纯液态流动(图中a),为第区。金属液继续流动，冷的前端在型壁上凝固结壳(图中b)，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，为第区。所以，该区是先形成凝固壳，又被完全熔化。第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热量。在第区里，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(图中c)。因为此类合金或纯金属在