材料成型基本原理作业及答案.doc

凝固温度场 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A块A板A杆 根据 与 所以凝固时间依次为： t球t块t板t杆。 5. 在砂型中浇铸尺寸为300(300(20 mm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λ W/(m·K) 比热容C J/(kg·K) 密度ρ kg/m3 热扩散率 m2/s 结晶潜热 J/kg 纯铝 212 1200 2700 6.5(10-5 3.9(105 砂型 0.739 1840 1600 2.5(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) 0 20 40 60 80 100 120 (mm) 0 4.22 6.00 7.31 8.44 9.43 10.3 (2) 利用“平方根定律”计算出铸件的完全凝固时间： 取 ＝10 mm， 代入公式解得： τ=112.4 (s) ； 利用“折算厚度法则”计算铸件的完全凝固时间： = 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。 6. 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=1.23cm (A=RA2／KA2=2.9min 对B有: RB= VB／AB=1.33cm (B=RB2／KB2=3.4min 对C有：RC= VC／AC=1.2cm (C=RC2／KC2=2.57min 对D有：RD= VD／AD=1.26cm (D=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，这是因为铝材的导热能力优于低碳钢的缘故。 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 ． 随温度上升而下降以及液相自由能 的斜率的理由。并结合图 及式（ ）说明过 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Δ 是影响凝固相变驱动力Δ 的决定因素。 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： dG = SdT + VdP （1） 并根据数学上的全微分关系dG = (?G/?T)dT + (?G/?P)dP （2） 比较（1）式和（2）式得：?G/?T)=—S,(?G/?P)= V（3） 等压时 dP =0 ，此时 dG = SdT 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，即： SL ＞ SS 所以： │?G/?T)│L │(?G/?P)│S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 。 过 冷 度 ?T 是 影 响 凝 固 相 变 驱 动 力 ?G 的决定因素的理由如下： 右图即为图 3-1 其中： ?GV 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，?G=Gs-GL＞0，此时 固相→液相 T = Tm 时，?G=Gs-GL =0，此时液固平衡 T Tm 时，?G=Gs-GL＜0，此时液相→固相 所以 ?G 即为相变驱动力。 再结合（3-6）式来看， ?GV = ?H m?T /Tm（其中：?Hm —熔化潜热， ?T ( =