原理07答案讲解.doc

华中科技大学 2007年招收硕士研究生入学考试 试题答案 考试科目：材料成形原理　　　 　　　　　　　　　 适用专业：材料加工工程、数字化材料成形、环境科学与工程 (本答案按“液态成形理论基础”、“连接成形理论基础”和“金属塑性成形力学”三个部分列出) (A卷部分) 三、简述题 1. 影响液态金属界面张力的主要因素是什么？ 影响液态金属界面张力的主要因素是：(1)金属的熔点，金属的熔点、沸点越高，则表面张力往往就越大；(2)温度，大多数金属和合金的表面张力随温度升高而降低，但对铸铁、碳钢、铜及其合金则相反。(3)溶质元素，表明活性元素降低界面张力，非表明活性元素增加表面张力、 2. 简述纯金属晶体宏观长大方式。 晶体的宏观长大方式有平面生长方式和树枝晶生长方式。当固－液界面前方液体中的为正温度梯度时，界面前方液体的过冷区及过冷度很小，晶体生长时凝固潜热的析出方向同晶体生长方向相反，一旦某一晶体生长伸入液相区就会被重新熔化，导致晶体以平面方式生长。当固－液界面前方液体中的为负温度梯度时，界面前方液体的过冷区较大，界面上凸起的晶体将快速伸入过冷液体中，成为树枝晶生长方式。 3. 影响铸件凝固方式的因素有哪些？ 影响铸件凝固方式的因素有二，一是合金的化学成分；二是铸件断面上的温度梯度。纯金属和共晶成分的合金，凝固区TL-TS＝0，属层状凝固；当合金的液相线温度和固相线温度相差很大时，此时凝固范围很宽，则称为体积凝固方式或称糊状凝固方式。但是，若温度梯度较小时，铸件的凝固方式由层状变成糊状的凝固方式。 4. 成分过冷的判据是什么？ 成分过冷的判据是： 其中：GL为固液界面前方的温度梯度，v为生长速度，mL为液相线斜率，C0为溶质的原始浓度，k0为溶质分配系数，DL为溶质在液相中的扩散系数。 5. 何为反应性气孔，有何特征？ 金属液和铸型之间或在金属液内部发生化学反应所产生的气孔，称为反应性气孔。 金属一铸型间反应性气孔，通常分布在铸件表面皮下1~3mm，表面经过加工或清理后，就暴露出许多小气孔，所以通称皮下气孔，形状有球状、梨状。 另一类反应性气孔是金属内部化学成分之间或与非金属夹杂物发生化学反应产生的，呈梨形或团球形，均匀分布。 B卷(75分) 液态成形理论基础 1. 答案要点： (1) 立方体晶核的吉布斯自由能的变化： 对上式求导： 令，可得临界晶核的边长 又： 所以： (2) 在过冷度时，球形晶核的临界自由能变化为 因为 、、L、相同， 所以，球形晶核比立方晶核更容易形成。 2. 答案要点： (1) 由题目给出的参数可计算出k0。 凝固10%时，fs = 10%, fL = 90%, C0 = 1% (2) 共晶体所占比例为为时的 即凝固完毕时，共晶体所占比例为：1.47％ (3) 成分的分布如图： 3. 答案要点： 由于灰铸铁和球墨铸铁的共晶凝固方式和石墨长大的机理不同，产生缩孔和缩松的倾向性有很大差别。 灰铸铁共晶团中的片状石墨，与枝晶间的共晶液体直接接触，因此片状石墨长大时所产生的体积膨胀大部分作用在所接触的晶间液体上，迫使它们通过枝晶间通道去充填奥氏体枝晶间由于液态收缩和凝固收缩所产生的小孔洞，从而大大降低厂灰铸铁产生缩松的严重程度。这就是灰铸铁的所谓“自补缩能力”。 被共晶奥氏体包围的片状石墨．由于碳原子的扩散作用，在横向上也要长大，但是速度很慢。石墨片在横向上长大而产生的膨胀力作用在共晶奥氏体上，使共晶团膨胀，并传到邻近的共晶团上或奥氏体枝晶骨架上，使铸件产生缩前膨胀。这种缩前膨胀会抵消一部分自补缩效果，但是，由于这种横向的膨胀作用很小而且是逐渐发生的，同时因灰铸铁在共晶凝固中期，在铸件表面已经形成硬壳，因此灰铸铁的缩前膨胀一般只有0.1%~0.2%左右。所以，灰铸铁件产生缩松的倾向性较小。 球墨铸铁在凝固过程中，当石墨球长大到一定程度后．四周形成奥氏体外壳、碳原于是通过奥氏体外壳扩散到共晶团中使石墨球长大，当共晶团长大到相互接触后，石墨化膨胀所产生的膨胀力，只有一小部分作用在晶间液体上，而大部分作用在相邻的共晶团上或奥氏体枝晶上，趋向于把它们挤开。因此，球墨铸铁的缩前膨胀比灰铸铁大得多。由于按照体积凝固方式凝固，铸件表面在凝固后期没有形成坚固的外壳，如果铸型刚度不够，膨胀力将迫使型壁外移。随着石墨球的长大，共晶团之间的间隙逐步扩大，使得铸件普遍膨胀。共晶团之间的间隙就是球墨铸铁