材料成型基本原理作業(yè)及答案要點(diǎn)

1、第2章凝固溫度場凝固溫度場4.4.比較同樣體積大小的球狀、塊狀、板狀及桿狀鑄件凝固時(shí)間的長短。比較同樣體積大小的球狀、塊狀、板狀及桿狀鑄件凝固時(shí)間的長短。解：一般在體積相同的情況下上述物體的表面積大小依次為：A球t塊t板t桿。5.5.在砂型中澆鑄尺寸為在砂型中澆鑄尺寸為300300?300300?2020mmmm的純鋁板。設(shè)鑄型的初始溫度為的純鋁板。設(shè)鑄型的初始溫度為20℃20℃，澆注后瞬間，澆注后瞬間鑄件鑄件鑄型界面溫度立即升至純鋁熔

2、點(diǎn)鑄型界面溫度立即升至純鋁熔點(diǎn)660℃660℃，且在鑄件凝固期間保持不變。澆鑄溫度為，且在鑄件凝固期間保持不變。澆鑄溫度為670℃670℃，金屬與鑄型材料的熱物性參數(shù)見下表：，金屬與鑄型材料的熱物性參數(shù)見下表：熱物性熱物性材料材料導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)λW(mK)W(mK)比熱容比熱容CJ(kgK)J(kgK)密度密度ρkgmkgm3熱擴(kuò)散率熱擴(kuò)散率am2ss結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱JkgJkg純鋁純鋁21221212001200270027006.

3、56.5?1051053.93.9?105105砂型砂型0.7390.73918401840160016002.52.5?107107試求：（試求：（1）根據(jù)平方根定律計(jì)算不同時(shí)刻鑄件凝固層厚度）根據(jù)平方根定律計(jì)算不同時(shí)刻鑄件凝固層厚度ss并作出并作出曲線；曲線；??s（2）分別用）分別用“平方根定律平方根定律”及“折算厚度法則折算厚度法則”計(jì)算鑄件的完全凝固時(shí)間，并分析計(jì)算鑄件的完全凝固時(shí)間，并分析差別。差別。解：(1)代入相關(guān)已知數(shù)

4、解得：，=1475，2222??cb?=0.9433(m)??????SiTTcLTTbK??????10112022sm根據(jù)公式計(jì)算出不同時(shí)刻鑄件凝固層厚度s見下表曲線見圖3。K??????τ(s)020406080100120(mm)?04.226.007.318.449.4310.3(2)利用“平方根定律”計(jì)算出鑄件的完全凝固時(shí)間：圖3關(guān)系曲線???dG=—SdTVdP（1）；并根據(jù)數(shù)學(xué)上的全微分關(guān)系：dG=(?G?T)dT(?G

5、?P)dP（2）比較（1）式和（2）式得：(?G?T)=—S(?G?P)=V（3）等壓時(shí)dP=0，此時(shí)dG=—SdT由于熵恒為正值，故物質(zhì)自由能G隨溫度上升而下降。(2)液相自由能GL隨溫度上升而下降的斜率大于固相GS的斜率的理由如下：因?yàn)橐簯B(tài)熵大于固態(tài)熵，即：SL＞SS所以：│(?G?T)│L│(?G?P)│S即液相自由能GL隨溫度上升而下降的斜率大于固相GS的斜率。(3)過冷度?T是影響凝固相變驅(qū)動力?G的決定因素的理由如下：右圖即

6、為圖31其中：?GV表示液－固體積自由能之差，Tm表示液固平衡凝固點(diǎn)從圖中可以看出：TTm時(shí)，?G=GsGL＞0，此時(shí)固相→液相；T=Tm時(shí)，?G=GsGL=0，此時(shí)液固平衡；TTm時(shí)，?G=GsGL＜0，此時(shí)液相→固相；所以?G即為相變驅(qū)動力。再結(jié)合（36）式來看，?GV=—?Hm?TTm（其中：?Hm—熔化潛熱，?T(=TmT)—過冷度）.由于對某一特定金屬或合金而言，Tm及?Hm均為定值，所以過冷度?T是影響凝固相變驅(qū)動力?G的決

7、定因素。5、結(jié)合圖、結(jié)合圖33及圖及圖3－4解釋臨界晶核半徑解釋臨界晶核半徑r和形核功和形核功ΔG的意義的意義，以及為什么形核，以及為什么形核要有一定過冷度要有一定過冷度。（1）臨界晶核半徑r的意義如下：答：r＜r時(shí)，產(chǎn)生的晶核極不穩(wěn)定，隨即消散；r=r時(shí)，產(chǎn)生的晶核處于介穩(wěn)狀態(tài)，既可消散也可生長；r＞r時(shí)，不穩(wěn)定的晶胚轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定晶核，開始大量形核。故r表示原先不穩(wěn)定的晶胚轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定晶核的臨界尺寸。臨界形核功?G的意義如下：表示形核過程

8、系統(tǒng)需克服的能量障礙，即形核“能壘”。只有當(dāng)?G≥?G時(shí)，液相才開始形核。（2）形核必須要有一定過冷度的原因如下：由形核功的公式：?G=16π3乘σSL（的三次方）乘（VSTm?Hm?T)的平方（均質(zhì)形核），?Ghe=6π3乘σSL（的三次方）（VSTm?Hm?T)乘（2—3cosθcos3θ）4（非均質(zhì)形核）。對某種晶體而言，VS、σSL、?Hm、Tm均為定值，?G∝?T的平方，過冷度?T越小，形核功?G越大，?T→0時(shí)，?G→∞，這

9、表明過冷度很小時(shí)難以形核，所以物質(zhì)凝固形核必須要有一定過冷度。10、討論兩類固、討論兩類固液界面結(jié)構(gòu)（粗糙面和光滑面）形成的本質(zhì)及其判據(jù)。液界面結(jié)構(gòu)（粗糙面和光滑面）形成的本質(zhì)及其判據(jù)。答：（1）a.固液界面結(jié)構(gòu)主要取決于晶體生長時(shí)的熱力學(xué)條件及晶面取向。設(shè)晶體內(nèi)部原子配位數(shù)為ν，界面上（某一晶面）的配位數(shù)為η，晶體表面上有N個(gè)原子位置只有NA個(gè)固相原子（），則在熔點(diǎn)Tm時(shí)，單個(gè)原子由液相向固液界面的NNxA?固相上沉積的相對自由能變化