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时间:2020-04-09
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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T7、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
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
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