《材料成形基本原理（第3版）》2-2本单元重难点复习题解答

本单元重难点复习题解答第二节铸造过程温度场一、下面各题的选项中，哪一个是错误的：1.在推导半无限大平板铸件凝固过程温度场的求解方程时进行了如下简化：（2）（1）热量沿着铸件与铸型的接触界面的法线方向一维热传导；（2）铸件与铸型内部的温度始终为均温；（3）不考虑凝固过程中结晶潜热的释放；（4）不考虑铸件与铸型界面热阻。2.使用半无限大平板铸件凝固过程温度场的求解方程时：（1）（1）铸件一侧的温度梯度始终高于铸型中的温度梯度；（2）铸件与铸型的蓄热系数始终不变；（3）铸件与铸型的接触界面的温度始终不变；（4）铸件向铸型一侧的散热速率逐渐降低。3.对于无限大平板铸件的凝固时间计算：（1）（1）没考虑铸件与铸型接触界面的热阻；（2）考虑了铸件凝固潜热的释放；（3）凝固时间是指从浇注开始至铸件凝固完毕所需要的时间；（4）凝固层厚度取铸件板厚的一半。二、简答1.已知某半无限大板状铸钢件的热物性参数为：导热系数λ=46.5W/(m·K)，比热容C=460.5J/(kg·K)，密度ρ=7850kg/m3，取浇铸温度为1570℃，铸型的初始温度为20解：（1）砂型：=12965=639界面温度：=1497℃铸件的热扩散率：=1.310-5m2根据公式分别计算出两种时刻铸件中的温度分布状况见表1。表1铸件在砂型中凝固时的温度分布与铸型表面距离（m）00.020.040.060.080.10温度（℃）t=0.02h时149715231545155915661569t=0.20h时149715051513152115281535根据表1结果做出相应温度分布曲线见图1。（2）金属型：=12965=15434界面温度：=727.6℃同理可分别计算出两种时刻铸件中的温度分布状况见表2与图2。表2铸件在金属型中凝固时的温度分布与铸型表面距离（m）00.020.040.060.080.10温度（℃）t=0.02h时727.610301277143815201555t=0.20h时727.6823915100510801159t=0.02ht=0.0h图2铸件在金属型中凝固时的温度分布曲线图1铸件在砂型中凝固时的温度分布曲线t=0.02ht=0.0h图2铸件在金属型中凝固时的温度分布曲线图1铸件在砂型中凝固时的温度分布曲线(3)分析：采用砂型时，铸件金属的冷却速度慢，温度梯度分布平坦，与铸型界面处的温度高，而采用金属铸型时相反。原因在于砂型的蓄热系数b比金属铸型小得多。2.右图为大平板纯铝铸件在不同凝固工艺条件下的凝固曲线，分析它们间的凝固条件差别。答：（1）线1与线2之间铸型散热能力不同；（2）线2与线3之间浇注温度不同；（3）线4为激冷下的凝固过程。3.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，根据图形说明两种情况下的：（1）凝固方式；（2）凝固时间；（3）凝固过程中最宽的固液两相区；（4）距铸件表面50mm处的起始凝固时刻及凝固结束用时；（5）凝固组织差别；（6）如果铸件两侧的铸型分别采用金属型与砂型，会出现什么情况？解：（1）凝固方式：金属型---逐层凝固方式；砂型----体积凝固方式或中间凝固方式；（2）凝固时间：金属型---11min；砂型---47min；（3）凝固过程中最宽的固液两相区：近30min时刻，约80mm×2=160mm宽；（4）距铸件表面50mm处的起始凝固时刻：金属型---5min；砂型---17min；至凝固结束用时：金属型---7min；砂型---42min；（5）凝固组织：金属型---柱状晶；砂型---外层柱状晶，内部等轴晶；（6）靠金属型一侧的凝固速度较快，最终凝固的对合面靠近砂型一侧。4.在砂型中浇铸尺寸为30030020mm的纯铝板。设铸型的初始温度为20℃，浇注后瞬间铸件-铸型界面温度立即升至纯铝熔点660℃，且在铸件凝固期间保持不变。浇铸温度为670热物性材料导热系数λW/(m·K)比热容CJ/(kg·K)密度ρkg/m3热扩散率m2/s结晶潜热J/kg纯铝212120027006.510-53.9105砂型0.739184016002.510-7试求：（1）根据平方根定律计算不同时刻铸件凝固层厚度ξ,并作出曲线；（2）分别用“平方根定律”及“折算厚度法则”计算铸件的完全凝固时间；（3）分析差别。解：(1)代入相关已知数解得：，=1475，=0.9433(m)根据公式计算出不同时刻铸件凝固层厚度s见下表,曲线见下图。τ(s)020406080100120(mm)04.226.007.318.449.4310.3关系曲线关系曲线(2)利用“平方根定律”计算出铸件的完全凝固时间：取＝10mm，代入公式解得：τ=112.4(s)；利用“折算厚度法则”计算铸件的完全凝固时间：=8.824(mm)=87.5(s)（3）采用“平方根定律”计算出的铸件凝固时间比“折算厚度法则”的计算结果要长，这是因为“平方根定律”的推导过程假设铸件仅沿板厚方向一维散热，而“折算厚度法则”考虑了铸件的三维方向散热。5.比较同样体积大小的球状、块状、板状及杆状铸件凝固时间的长短。解：一般在体积相同的情况下上述物体的表面积大小依次为：A球<A块<A板<A杆根据与所以凝固时间依次为：t球>t块>t板>t杆。10001601606001206.右图为一灰铸铁底座铸件的断面形状，其厚度为30mm，利用1000160160600120解：将底座分割成A、B、C、D四类规则几何体。查表2-3得：K=0.72()对A有：RA=VA／AA=1.23cmA=RA²／KA²=2.9minAAAAAAA