材料成型习题分析解析.doc

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1、第二章4.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t块>t板>t杆。5.在砂型中浇铸尺寸为300´300´20mm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℃，金属与铸型材料的热物性参数见下表：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212120027006.5´10-53.

2、9´105砂型0.739184016002.5´10-7试求：（1）根据平方根定律计算不同时刻铸件凝固层厚度s,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，并分析差别。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,曲线见图3。τ(s)020406080100120(mm)04.226.007.318.449.4310.3图3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

3、完全凝固时间：=8.824(mm)=87.5(s)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”的推导过程没有考虑铸件沿四周板厚方向的散热。10001601606001206.右图为一灰铸铁底座铸件的断面形状，其厚度为30mm，利用“模数法”分析砂型铸造时底座的最后凝固部位，并估计凝固终了时间.解：将底座分割成A、B、C、D四类规则几何体（见右下图）查表2-3得：K=0.72()对A有：RA=VA／AA=1.23cmtA=RA²／KA²=2.9min对B有:RB=VB／AB=1.33cmAAAABBCCCCDD

4、DtB=RB²／KB²=3.4min对C有：RC=VC／AC=1.2cmtC=RC²／KC²=2.57min对D有：RD=VD／AD=1.26cmtD=RD²／KD²=3.06min因此最后凝固部位为底座中肋B处，凝固终了时间为3.4分钟。7.对于低碳钢薄板，采用钨极氩弧焊较容易实现单面焊双面成形（背面均匀焊透）。采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板或铝板会出现什么后果？为什么？解：采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板可能会出现烧穿，这是因为不锈钢材料的导热性能比低碳钢差，电弧热无法及时散开的缘故；相反，采用同样焊接规范去焊同样厚度的铝板可能会出现焊不透

5、，这是因为铝材的导热能力优于低碳钢的缘故。第三章金属凝固热力学与动力学试述等压时物质自由能G随温度上升而下降以及液相自由能GL随温度上升而下降的斜率大于固相GS的斜率的理由。并结合图3-1及式（3-6）说明过冷度ΔT是影响凝固相变驱动力ΔG的决定因素。答：(1)等压时物质自由能G随温度上升而下降的理由如下：由麦克斯韦尔关系式：（1）并根据数学上的全微分关系：得：（2）比较（1）式和（2）式得：等压时dP=0，此时（3）由于熵恒为正值，故物质自由能G随温度上升而下降。(2)液相自由能GL随温度上升而下降的斜率大于固相GS的斜率的理由如下：因为液态熵大于固态熵，

6、即：SL＞SS所以：＞即液相自由能GL随温度上升而下降的斜率大于固相GS的斜率。(3)过冷度ΔT是影响凝固相变驱动力ΔG的决定因素的理由如下：右图即为图3-1其中：表示液－固体积自由能之差Tm表示液-固平衡凝固点从图中可以看出：T>Tm时，ΔG=Gs-GL﹥0，此时固相→液相T=Tm时，ΔG=Gs-GL=0，此时液固平衡T

7、影响凝固相变驱动力ΔG的决定因素。3．结合图3-3及图3－4解释临界晶核半径r*和形核功ΔG*的意义，以及为什么形核要有一定过冷度。答：（1）临界晶核半径r*的意义如下：r＜r*时，产生的晶核极不稳定，随即消散；r=r*时，产生的晶核处于介稳状态，既可消散也可生长；r＞r*时，不稳定的晶胚转化为稳定晶核，开始大量形核。故r*表示原先不稳定的晶胚转变为稳定晶核的临界尺寸。临界形核功ΔG*的意义如下：表示形核过程系统需克服的能量障碍，即形核“能垒”。只有当ΔG≥ΔG*时，液相才开始形核。图3-4液态金属r°、r*与T的关系及临界过冷度ΔT*（2）形核必须要有一定

8、过冷度的原因如下：由形核功的公式：（均质形核）=（非