第章至第七章阶段测验B卷参考答案唐飞等同学整理

1、材料成形原理阶段测验（第一章）班级： 姓名：学号 成绩：座位：第 排， 左起第 座1、偶分布函数g（r）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p（r）对于平均数密度 出（=N/V ）的相 对偏差。2、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。3、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,把别的原于排挤

2、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。4、粘度随原子间距B增大而降低,随温度T上升而下降,合金元素的加入若产生负的混合热 Hm,则会使合金液的粘度上升 ，通常，表面活性元素使液体粘度降低 。5、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 。6、液态金属的“充型能力”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，是各种因素的综合反映。流动性与充型能力的关系可理解为前者是后者的正因。7、作用于液体表面的切应力。大

3、小与垂直于该平面法线方向上的速度梯度的比例系数，以 刀表示，通常称为 动力 学 粘度 。要产生相同的速度梯度 dVx/dy,液体 内摩擦阻力越大:则 Y越大，所需外加剪切应力也越大 。粘度 刀的常用单位为Pa s 或 mPa s 。8、铸型的C2、在、b越大，即 蓄热 系数b2 （ b2 J 2C2 2 ）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，充型能力越差 。8、右图为碱金属液态的径向分布函数 ，请在图中标注液态 Cs 的平均原子间距ri的位置，并以求积分面积（如涂剖面线）表达 液态Cs的配位数Ni的求法。（参见A卷K的门、Ni求法）9、依据图1-12的数据及影响规律

4、，试运用凝固热裂纹的液膜理论”分析讨论S、O含量对铁基合金热裂纹的作用。答：S、O是原子半径小，在金属中容易进入到溶剂的间隙使势能增加，从而被排挤到金属的表面而富集，为表面活性元素。因为这些元素的金属性很弱，自由电子很少，因此表面张力小，同样使金属表面张力降低。 所以S、O含量越多，导致铁液表面张力下降。此外，S、O形成低熔点化合物，使凝固后期晶粒间液膜厚度 T增加，同时保持液态到更低温度（时间延长，凝固温度范围 T也增大)。由液膜拉断临界应力公式fmax 2可知，S、O既降低铁液的T班级:材料成形原理阶段测验(第二章)姓名：学号成绩又增大T,所以fmax减小；同时固液阶段时间延长，所以钢铁材

5、料中S、。高则热裂纹容易形成。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：方为：铸件的热导率C1为：铸件的比热容p1为：铸件密度T10为： 铸件的起始温度，通常为浇注温度a2 工为:铸型的热扩散率C2 P22、判断正误(划，或X)(1)随凝固时间的延长，铸件温度场的温度梯度铸件变小。(V )(2)其它条件相同，铸件温度场的温度梯度在湿砂型中小于干砂型中的温度梯度。(X )(3)金属型的蓄热系数小于砂型的蓄热系数。(x )(4)其它条件相同，不锈钢焊件的400c的等温椭圆面积小于铝焊件的相应椭圆面积。(X )(5)随铸件断面温度梯度的增大，相同合金铸件越趋向

6、于体积凝固方式。(X )(6)其它条件相同，焊件板材厚度越大，焊件温度场的等温椭圆面积越大。(X )(7)铝合金铸件在共晶成分点呈逐层凝固方式；其它条件相同，成分离共晶成分点越远铸件越趋向于体积凝固方式。(V )(8)其它条件相同，焊接速度越大，焊件等温椭圆长轴与短轴之比越大3、右图为某平板熔焊过程中焊件表面的温度分布状况。在图中画出最大温度梯度方向，并指出当前热源位置与移 动方向。最大温度梯度方向：A 一 B当前热源位置：A移动方向：AB根据4、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 图形分别说明：EE嫉星匡ye厚我10 2030 d时间min（1）金属型

7、及砂型中距铸件表面 50mm处的起始凝固时刻及凝固结束时间起始凝固时刻：金属：5min砂型：17min结束时间：金属：7min 砂型：42min（2）在弱态凝固曲线的右侧能线框内画出 20分 种时砂型中铸件断面的木目区分布（液、固、固 +液）。材料成形原 理阶段测验（第三章）班级： 姓名：学号 成绩：（1）金属熔体从高温降温，只有温度冷却至平衡熔点Tm以下具有一定过冷度，才可能发生凝固。（V ）（2）过冷度达到AT *之后，原子团簇平均半径r°已达临界尺寸，开始大量形核。A T*理 解为K量考核过冷度。（V）（3）非均质形核与均质形核相比，前者临界半径r*、形核功AG*及临界形核过冷

8、度 H*均比后者小很多。（X ）（4）凝固界面微观结构类别（粗糙界面还是光滑界面），热力学上主要取决于物质的熔融 嫡大小。熔融嫡越高，凝固界面结构越趋向于成为光滑界面。（V ）（5）粗糙界面属性的物质按照连续生长方式，其生长速度与过冷度的平方成正比。（X ）（6）非均质形核过程，新生晶体与杂质基底之间的界面张力（SC越大，润湿角 越大，形核功AG*越大，形核临界过冷度AT*越大，形核率越高。（X ） 2、填空（每题3分）（1）过冷度AT增大，r*及AG*下降，形核率I增大。过冷度AT较小时，均质形核 的形核率几乎始终为零。当温度降到某一程度，达到临界过冷度（ M ）,形核率迅速 增大 。研究表

9、明,AT 0.2 Tm左右.由此可见.均质形核需耍 很大 的 过冷度。（2）均质晶核形成的晶核为球体，系统自由能变化G由两部分组成，其中，液-固体积 自由能之差（由 Gv引起）为相变驱动力.而固-液界面能（由 孔引起）则 阻碍 相变。它是均质形核所必须克服的（3）形核功A G*的大小为临界晶核表面能的 1/3倍 能量障碍。3、右图中，液态合金成分为 C0o假设在冷却过程中按 平衡方式凝固（液相及固相成分均按相图变化），在图上 分别标出、T2及任意特定温度T与减相线、周相线 的交点（6个）成分；写出丁温度时Ko定义式。（20分）答：标注见教材P60：工：温度时=QJC4、写出Jackson因子表

10、达式；指出 大小与凝固界面结构类型的关系、过冷度与界面粗糙 度关系(5M=15分)答：见教材P68- P70。5、推导凝固相变驱动力表达式 GvHm T (5分)Tm答：见教材P58-P59。而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X)(每题5分)(1) “平衡凝固”条件下，凝固后零件断面的成分均匀地为 Cs =C0O所以“平衡凝固” 开始时晶体析出的成分即为Co。( X )(2)在“平衡凝固”及“液相充分混合”所假设的溶质再分配条件下，固-液界面处的固相及液相成分Cs、Cl随凝固过程的进行均始终在不断升高。(V )(3)在“液相只有有限扩散”溶质再分配条件

11、下，当达到 稳定状态时，界面处及其前方液相成分随时间变化均符合。，且溶质富集层以外的成分均为Cl =Co0 (V)(4) Gl< TL(x) 表示凝固界面处液体实际温度梯度 Gl小于TL(x')曲线x' 0处的切 x x' 0线，此表达式为成分过冷的形成条件。(V )(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 幅度增大液体实际温度梯度 Gl,凝固界面有向“平整界面”变化的可能。(V )(6)无论是纯金属还是合金，只有当凝固界面前形成负温度梯度，才可出现过冷现象。(X)(7)成分过冷较小时胞状晶生长方向垂直于周-液界面，与晶体学取

12、向无关。(V)(8)方向性较弱的金属固溶体，具等轴树枝晶外缘圆滑，无清晰齐整的棱角(9)灰铸铁 什与G (石墨)共晶反应过程，领先相石墨呈片状生长且不断发生分枝及弯曲，而奥氏体则以非封闭晕圈形式包围着石墨片一起长大，这种不规则的共晶生液相只有有限扩散凝固条件下溶质再分配长不属于共生生长范畴。(x )(10)交替平行排列的层片状规则共晶两相具有 共同的凝固界面，且为等温面。(V )2、若设Co=Co/ KoCo,右图中：A=( AC。)，表 达 凝固界面处由于溶质富集引起的成分升高 ： B=( Dl/R ),表达溶质富集层的“特征距离" C=( C°e-1),表达距界面x&#

13、39; =B时溶质富集高度为 C/e 。 x' 0处浓度梯 度Gc为： '-GcCl(x)-c- (4X7=28 分)xX' oDl/R3、增强铸型对铸件的冷却能力，对铸件晶体的一次及二次枝晶间距有何影响？对于特定铸型条件的相同铸件，铸件内部的枝晶间距与其表面的有何区别？同一铸件不同壁厚的部位呢？ （12分）答：增强铸型对铸件的冷却能力，一次、二次枝晶间距均减小；铸件表面R、G1较大,枝晶间距较小，而铸件内部凝固总是晚于表面，由第二章可知，铸件温度场的温度梯度G随时间的延长而变小，凝固速度也相应减慢，即 R、Gl随时间减小，所以内部枝晶间 距较大；同理，同一铸件薄壁处平

14、均之间间距小于厚壁处。4、与单相固溶体凝固相比， 两相均为非小平面属性的二元规则共晶合金凝固界面前沿 的溶质富集情况有哪 两方面的显著差别？ （10分）答：（1）由于共晶两相界面前以横向扩散占主导，溶质富集程度大大降低，且 同一截面不同位置成分不同。（2）溶质富集层的宽度（X'方向）也大为减小，由单相凝固时的大于数百微米尺度减小为几微米甚至更小一一若以共晶片层距衡量，由数百片层距的尺度降为约半个片层距的尺度，数学上表达：由大于两倍“特征距离”22R减小为N2（这里入为片层距）材料成形原理阶段测验(第五、七章)班级： 姓名： 学号 成绩： 1、判断正误(划，或X)(每题5分)(1)因型壁

15、强烈激冷作用，结晶潜热从型壁导出，表面等轴晶生长方向垂直于型壁。(X )(2)根据内部等轴晶“型壁脱落与游离理论”，适当降低浇铸温度可避免游离晶体的重熔，因而可促进并细化内部等轴晶(V )(3)超声波的细化晶粒作用主要是振动引起枝晶熔断而引起的。(X )(4)从本质上说，孕育主要是影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；而变质则是改变晶体的生长机理，从而影响晶体形貌。( V )(5)焊缝常以“联生结晶”方式由边缘向内推进，柱状晶生长方向垂直于焊接方向。(X )(6)氮、氢在铁液和铝液中的溶解度均随温度升高而增大，温度越高，溶入气体越多。(x )(7)气体溶解度与其分压的平方根成正比。气体在熔池中

16、溶解度随焊接电压而降低。(V )(8)熔滴过渡频率随焊接电流提高，因此，提高焊接电流可降低焊缝的H、N。(，)(9)增大焊接气氛的氧化性，既可降低氢的溶解度，也可降低 氮的溶解度。(X )(10)在“金属-氧-氧化物”系统中，氧实际分压 po2大于金属氧化物的分解压 po2,则金属被氧化。(，)(11)柱状晶主干取向与热流方向平行的枝晶优先迅速生长，而取向不利的相邻枝晶因发展缓慢却逐 渐被淘汰，这种互相竞争淘汰的晶体生长过程称为晶体择优生长。(，)(12)在液态铁存在的温度，H2O气的氧化性比 CO2小，但H2O气除了使金属氧化外，还会提高气T/V氟、氧在株中的溶解度与潟度的关系相中H2的分压

17、，导致金属增氢。(V )2、右图为氮、氢在铁中溶解度曲线，试回答：(20分)(1)气体溶解度常以什么单位表达：mL/(100g);(2)氮、氢在铁液中溶解为何种热效应：吸 热反应;(3)说明为什么曲线高温末端处氮、氢溶解度会下降：温度接近Fe的沸点，铁液汽化渐强：从而显著减小了氮、氢实际分(4)已知凝固过程氢溶解度下降，若将氢看作Fe的溶质，那么凝固中其平衡分配系数 Ko= C*s/ C*l v 1(填或v)(5)比较固态铁的三相中氢溶解度差别：“铁中氢溶解度最小；丫铁中氢溶解度最大。8铁中氢溶解度随温度升高变化不大。3、根据“型壁脱落与游离理论”回答：（ 1）为什么纯金属凝固容易出现柱状晶？（5 分）对于纯金属而言，因无溶质富集，难以形成“脖颈”，在型壁处晶体难以脱落而向内部游离。型壁处过冷度最