材料成形原理吴树森答案x1.docx

1、材料成形原理吴树森答案x1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P

2、的关系如（1）p=2材,因表面张力而长生 的曲面为球面时，r为球面的半径；（2）p = 1/ri+1/r 2）,式中 rr2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

3、热系数大；适当提高铸型温度； 提咼透气性。(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:1.5解：由Stokes公式上浮速度 v= 2r（L2）9r为球形杂质半径，y为液态金属重度，丫 2为杂质重度，n为液态金属粘度Y= g* 師=10*7500= 75000Y= g* pnO = 10*5400= 540002*(0.1*107)2* (75000 54000)9* 0.00493.1解：(1)对于立方形晶核 G方=一 Gv+6a2 c令 dG 方/da = 0 即 一3a2Gv+12ac

4、=0，则临界晶核尺寸a*= 4 (/ Gv，得(7=- Gv,代入4 G 方*= a*3 Gv + 6 a2 旦- Gv = 1 a*2 Gv 方 4 2均质形核时才和厶G方*关系式为： G方*= 1 si3 Gv(2)对于球形晶核 G球* = - n*3 Gv+4 n*2 c 球 3临界晶核半径r = 2 7 Gv，则 G球=-n3 Gv球 3所以 G 球 / G 方=n3 Gv/( a3 Gv)3 2将 r* = 2 (/ Gv, a* = 4 (/ Gv 代入上式，得 G 球7 G 方* =n61，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：

5、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。24.2答： 铸件凝固时间t =虽,R为折算厚度，K为凝固系数，又由于KR= V，在相同体积的条件下，立方体。等边圆柱和球三者中，A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

6、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律。4.4 解:溶质再分配：合金凝固时液相内的溶质 部分进入固相， 另 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mL和ms ,如上图：液相线：T* - Tm = mL (Ci*-

7、0) 固相线：T* - Tm = mS (Cs*-O) +得：T*-Tm =盛=1T - Tm mLCL*即 企=匹=k0Cl ms由于mL、ms均为常数，故k0= Const.4.5 解:(溶质分配系数 k0= CS=Cs;= 6365%=0.171当fs = 10%时，有0.171-1Cs* = k0C0(1-fs)kT = 0.171*1%* (1- 10%) = 0.187%(2)设共晶体所占的比例为fL，则Cl* = C。r1 = Ce(1)沿试棒的长度方向Cu的分布曲线图如下:CokrT.z05.1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

8、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，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厶 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、Co，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。5.3 答:影响

9、成分过冷范围的因素有：成分过冷的条件为 Gl Pa所以A点先屈服，即圆筒部分先屈服。又有等效应变增量:即(d r)2 (2d r)2 (d r)2对应的应变增量张量为:7 解:r方向的静力平衡方程gd gH ( r d r)(r dr)dgH.dsin -gdrgH2 fdrgrd 0r drdr 2 fr HdrfH假设轴对称均匀变形r，z都为压应力，且令 1 r, 3由屈服准则得:c drd z 2 fH0, z边界条件：r Rd时,2 R0H1 RoP 2 2 rdrRo2 0沿方向列平衡方程)(r dr)d ct 2出 tndsin 2grgd gt因为r为拉应力，为压应力,由Mises塑性条件:drr边界条件：r D0时,2In rIn Do2唸，则当mD二拉深力Pdot dotg cln-D0do精选可编辑则产生机械粘砂的临界压力 p=2 dr1显然 r = x 0.1cm= 0.05cm2则 p= * 1 2*1.5 4 = 6000Pa0