第1章至第七章阶段测验B卷参考答案唐飞等同学整理.docx
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第1章至第七章阶段测验B卷参考答案唐飞等同学整理
《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ρ(r)对于平均数密度ρo(=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δ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内因。
7、作用于液体表面的切应力τ大小与垂直于该平面法线方向上的速度梯度的比例系数,以η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η越大,所需外加剪切应力也越大。
粘度η的常用单位为Pa·s或mPa·s。
8、铸型的C2、ρ2、λ2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,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r1的位置,并以求积分面积(如涂剖面线)表达液态CS的配位数N1的求法。
(参见A卷K的r1、N1求法)
9、依据图1-12的数据及影响规律,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
可知,S、O既降低铁液的
,又增大T,所以fmax减小;同时固液阶段时间延长,所以钢铁材料中S、O高则热裂纹容易形成。
《材料成形原理》阶段测验
(第二章)
班级:
姓名:
学号成绩:
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:
λ1为:
铸件的热导率
c1为:
铸件的比热容
ρ1为:
铸件密度
T10为:
铸件的起始温度,通常为浇注温度
为:
铸型的热扩散率
2、判断正误(划√或×)
(1)随凝固时间的延长,铸件温度场的温度梯度铸件变小。
(√)
(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。
(×)
(3)金属型的蓄热系数小于砂型的蓄热系数。
(×)
(4)其它条件相同,不锈钢焊件的400℃的等温椭圆面积小于铝焊件的相应椭圆面积。
(×)
(5)随铸件断面温度梯度的增大,相同合金铸件越趋向于体积凝固方式。
(×)
(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。
(×)
(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。
(√)
(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→B
当前热源位置:
A
移动方向:
A→B
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。
根据图形分别说明:
(1)金属型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)在动态凝固曲线的右侧虚线框内画出20分
钟时砂型中铸件断面的相区分布(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。
(√)
(2)过冷度达到ΔT*之后,原子团簇平均半径r°已达临界尺寸,开始大量形核。
ΔT*理解为大量形核过冷度。
(√)
(3)非均质形核与均质形核相比,前者临界半径r*、形核功ΔG*及临界形核过冷度ΔT*均比后者小很多。
(×)
(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熵大小。
熔融熵越高,凝固界面结构越趋向于成为光滑界面。
(√)
(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。
(×)
(6)非均质形核过程,新生晶体与杂质基底之间的界面张力σSC越大,润湿角
越大,形核功ΔG*越大,形核临界过冷度ΔT*越大,形核率越高。
(×)
2、填空(每题3分)
(1)过冷度ΔT增大,r*及ΔG*下降,形核率I增大。
过冷度ΔT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(ΔT*),形核率迅速增大。
研究表明,ΔT*≈0.2Tm左右,由此可见,均质形核需要很大的过冷度。
(2)均质晶核形成的晶核为球体,系统自由能变化
由两部分组成,其中,液-固体积自由能之差(由
引起)为相变驱动力,而固-液界面能(由
引起)则阻碍相变。
(3)形核功ΔG*的大小为临界晶核表面能的1/3倍,它是均质形核所必须克服的能量障碍。
3、右图中,液态合金成分为C0。
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T1、T2及任意特定温度T*与液相线、固相线的交点(6个)成分;写出T*温度时K0定义式。
(20分)
答:
标注见教材P60;
温度时
。
4、写出Jackson因子表达式;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(5×3=15分)
答:
见教材P68-P70。
5、推导凝固相变驱动力表达式
(5分)
答:
见教材P58-P59。
《材料成形原理》阶段测验
(第四章)
班级:
姓名:
学号成绩:
1、判断正误(划√或×)(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=C0。
所以“平衡凝固”开始时晶体析出的成分即为C0。
(×)
(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C
、C
随凝固过程的进行均始终在不断升高。
(√)
(3)在“液相只有有限扩散”溶质再分配条件下,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=C0。
(√)
(4)GL<
表示凝固界面处液体实际温度梯度GL小于
曲线
处的切线,此表达式为成分过冷的形成条件。
(√)
(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。
(√)
(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。
(×)
(7)成分过冷较小时胞状晶生长方向垂直于固-液界面,与晶体学取向无关。
(√)
(8)方向性较弱的金属固溶体,其等轴树枝晶外缘圆滑,无清晰齐整的棱角。
(√)
液相只有有限扩散凝固条件下溶质再分配
(9)灰铸铁γ-Fe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长不属于共生生长范畴。
(×)
(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。
(√)
2、若设△C0=C0/K0-C0,右图中:
A=(△C0),表达凝固界面处由于溶质富集引起的成分升高;B=(
),表达溶质富集层的“特征距离”;C=(
),表达距界面x’=B时溶质富集高度为△C0/e。
处浓度梯度
为:
(4×7=28分)
3、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
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
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(
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——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”2
减小为λ/2(这里λ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×)(每题5分)
(1)因型壁强烈激冷作用,结晶潜热从型壁导出,表面等轴晶生长方向垂直于型壁。
(×)
(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(√)
(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。
(×)
(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。
(√)
(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。
(×)
(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。
(×)
(7)气体溶解度与其分压的平方根成正比。
气体在熔池中溶解度随焊接电压而降低。
(√)
(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。
(×)
(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,还会提高气相中H2的分压,导致金属增氢。
(√)
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、氢实际分压;
(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K0=C*S/C*L<1(填>或<)
(5)比较固态铁的三相中氢溶解度差别:
α铁中氢溶解度最小;γ铁中氢溶解度最大。
δ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。
型壁处过冷度最大,沿型壁方向的晶体长大方向最快,晶体与晶体之间很快能够连接起来形成凝固层。
同时,由于在纯金属中无杂质,不会发生溶质偏析,不会发生枝晶熔断和游离。
(2)设合金K0<1,K0大小对激冷晶“型壁脱落”及游离晶的“增殖”怎样起作用?
对柱状晶或内部等轴晶的形成作用呢?
(5x3=15分)
K0越小,凝固时偏析越大,偏析使此处熔点降低,易在晶体与型壁的交会处产生“脖颈”,从而会促进激冷晶“型壁脱落”而游离;此外,温度适度降低,不至于游离晶体的重熔而消失,且有利于游离晶体的“增殖”。
从而,抑制了柱状晶区的形成与发展,促进内部等轴晶的形成。
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