材料成形原理吴树森答案

第一部分：液态金属凝固学

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。 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σ和界面张力ρ的关系如（1）ρ＝2σ/r,因表面张力而长生的曲面为球面时，r为球面的半径；（2）ρ＝σ（1/r1+1/r2）,式中r1、r2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。

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：①改善合金成分；②结晶潜热L要大；③比

热、密度、导热系大;④粘度、表面张力

大。

（2）铸型性质方面：①蓄热系数大；②适当提高铸型温度；③

提高透气性。

（3）浇注条件方面：①提高浇注温度；②提高浇注压力。 （4）铸件结构方面：①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚

度；

②降低结构复杂程度。

解： 浇注模型如下：

则产生机械粘砂的临界压力 ρ＝2σ/r 显然 r＝×＝ 则 ρ＝不产生机械粘砂所允许的压头为

H＝ρ/（ρ液*g）＝6000＝

7500*10122*1.5＝6000Pa

0.5*10－4 解： 由Stokes公式

2r2(r1－r)2 上浮速度 v＝9r为球形杂质半径，γ1为液态金属重度，γ2为杂质重度，η为液态金属粘度

γ1＝g*ρ液＝10*7500＝75000 γ2＝g2*ρMnO＝10*5400＝54000

22*（0.1*10－3）*(75000－54000）所以上浮速度 v＝＝s

9*0.0049

解：（1）对于立方形晶核 △G方＝－a3△Gv+6a2σ①

令d△G方/da＝0 即 －3a2△Gv+12aσ＝0，则 临界晶核尺寸a*＝4σ/△Gv，得σ＝

*

*3

*2

a*△Gv，代入① 41*2a*△G方＝－a△Gv＋6 a△Gv＝ a△Gv

24均质形核时a*和△G方*关系式为：△G方*＝ a*3△Gv （2）对于球形晶核△G球*＝－πr*3△Gv+4πr*2σ

临界晶核半径r*＝2σ/△Gv，则△G球*＝πr*3△Gv 所以△G球*/△G方*＝πr*3△Gv/( a*3△Gv) 将r*＝2σ/△Gv，a*＝4σ/△Gv代入上式，得 △G球*/△G方*＝π/6<1，即△G球*<△G方* 所以球形晶核较立方形晶核更易形成

2312432312

2*2.25*10－5*（1453＋273）3-7解： r均＝(2σLC/L)*(Tm/△T)＝cm＝*10－9m

1870*3196.6*

△G均*＝

16πσLC3*Tm/（L2*△T2） 33216(2.25*10－5*104）*（1453＋273）＝π*＝*10－17J

18703(*106)*31926.6

答： 从理论上来说，如果界面与金属液是润湿得，则这样的界面就

可以成为异质形核的基底，否则就不行。但润湿角难于测定，可根据夹杂物的晶体结构来确定。当界面两侧夹杂和晶核的原子排列方式相似，原子间距离相近，或在一定范围内成比例，就可以实现界面共格相应。安全共格或部分共格的界面就可以成为异质形核的基底，完全不共格的界面就不能成为异质形核的基底。

答： 晶核生长的方式由固液界面前方的温度剃度GL决定，当GL>0

时，晶体生长以平面方式生长；如果GL<0，晶体以树枝晶方式生长。

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。