1、1课后作业答案第一章练习一一、填空题1、液体的表观特征有：（1）类似于 液 体，液体最显著的性质是具有 流动 性，即不能够象固体那样承受剪切应力；（2）类似于 液 体，液体可完全占据容器的空间并取得容器 内腔 的形状；（3）类似于固体，液体具有 自由 表面；（4）类似于固体，液体可压缩性很 。2、按液体结构和内部作用力分类，液体可分为原子液体、分子液体及离子液体三类。其中，液态金属属于 原子 液体，简单及复杂的熔盐通常属于 离子 液体。3、偶分布函数 g(r) 的物理意义是距某一参考粒子 r 处找到另一个粒子的几率，换言之，表示离开参考原子（处于坐标原点 r=0）距离为 r 位置的数密度 (r
2、)对于平均数密度 o（=N/V）的相对偏差。4、考察下面右图中表达物质不同状态的偶分布函数 g(r)的图(a) 、(b) 、(c)的特征，然后用连线将分别与左图中对应的结构示意图进行配对。固体结构 （a） 的偶分布函数气体结构 （b） 的偶分布函数液体结构 （c） 的偶分布函数25、能量起伏：描述液态结构的“综合模型”指出，液态金属中处于热运动的不同原子的能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停地变化，时高时低。这种现象称为能量起伏。6、结构起伏：液态金属是由大量不停“游动”着的原子团簇组成，团簇内为某种有序结构，团簇周围是一些散乱无序的原子。由于“能量起伏” ，一部分金属原子（离子）从某个
3、团簇中分化出去，同时又会有另一些原子组合到该团簇中，此起彼伏，不断发生着这样的涨落过程，似乎原子团簇本身在“游动”一样，团簇的尺寸及其内部原子数量都随时间和空间发生着改变，这种现象称为结构起伏。7、在特定的温度下，虽然“能量起伏”和“结构起伏”的存在，但对于某一特定的液体，其团簇的统计平均尺寸是一定的。然而，原子团簇平均尺寸随温度变化而变化，温度越高原子团簇平均尺寸越小。8、浓度起伏：工业中常用的合金存在着异类组员；即使是“纯”金属，也存在着大量杂质原子。因此，对于实际金属及合金的液态结构，还需考虑不同原子的分布情况。由于同种元素及不同元素之间的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子容易聚集在
4、一起，把别的原于排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异。这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化，这一现象称为浓度起伏。9、对于液态合金，若同种元素的 原 子 间结 合 力 大 于 不同元素的原子间结合力，即 F(A-A、B-B) F(A-B)，则形成富 A 及富 B 的原子团簇，具有这样的原子团簇的液体仅有“拓扑短程序” ；若熔体的异类组元具有负的混合热，往往 F(A -B)F (A-A、B-B)，则在液体中形成具有 A-B 化学键的原子团簇，具有这样的原子团簇的液体同时还有“化学短程序” 。具有“化学短程序”的原子团簇，在热运动的作用下，出现时而化合，时而分解的分子，也
5、可称为不稳定化合物，甚至可以形成比较强而稳定化合物，在液体中就出现新的固相。10、金 属 熔 化 潜 热 Hm 比 其 气 化 潜 热 Hb 小 得 多 （ 表 1-2） ， 为 1/151/30， 表 明 熔 化 时 其 内 部 原 子结 合 键 只 有 部 分 被 破 坏 。二、判断题（括号中添“”或“” ）1、 （ ）2、 （ ） ，因为 Ga, Bi, Sb, Ce, Si, Ge 等熔化时体积增大。3、 （ ） ，理想纯金属液体中既有“能量起伏” ，也有“结构起伏” 。4、 （ ）5、 （ ） ，近 年 ， 人 们 发 现 液 态 Ga、 Cs、 Se、 I、 、 Bi 、 Te 等
6、 元 素 以 及 石 墨 熔 体 的 某 些 物 理 性 质随 压 力 出 现 异 常 非 连 续 变 化 ， Katayama 等 利 用 对 液 态 磷 进 行 高 压 X-衍 射 实 验 ， 证 实 了 液 态 磷 中 发 生压 力 诱 导 型 非 连 续 液 -液 结 构 转 变 ； 我 国 及 国 外 的 学 者 也 以 多 种 手 段 揭 示 ， 一 些 合 金 熔 体 的 性 质 与结 构 随 温 度 发 生 非 连 续 变 化 。3练习二一、填空题1、 作用于液体表面切应力 大小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数，称为动力学粘度，通常以 表示。要产生相同的 dVX/dy，
7、液体的 内摩擦 阻力越大，则 越大，所需外加剪切应力也越大。2、 液体粘度的常用单位为 PaS 或 mPaS。3、 液体的原子间结合力（或原子间结合能 U）越大，则内摩擦阻力越大，粘度也就越高。液体粘度 随原子间结合能 U 按指数关系增加，即： 。)/exp(0TkUB4、 此外，粘度随原子间距 增大而降低，随温度 T 升高而下降，合金元素的加入若产生负的混合热 Hm 则会使合金液的粘度上升，通常，表面活性元素使液体粘度降低。5、 通常，物质内部原子间结合力越大，其熔点和沸点越高，其固体和液体的表面能和表面张力也越大，其液体的粘度越大。6、 虽然表面张力与表面自由能是不同的物理概念，但都以 （
8、或 ）表示，其大小完全相同，单位也可以互换，通常表面张力的单位为力/距离，以 N/m 或 dyn/cm 表示，表面能的单位为能量/面积，以 J/m2或 erg/cm2表示。7、 两相质 点 间结合力越大，界面能越小，界面张力就越小。两相间的界面张力越大，则润湿角越大，表示两相间润湿性越差。8、 通常，自由电子多的溶质元素，由于造成合金表面双电层的电荷密度大，从而造成对表面压力大，而使整个系统的表面张力增加。二、选择题1、C 正确A 错，因为降低原子间距、加入产生负的混合热 的 合 金 元 素 均 会 使 液 体 粘度上升。B 错，因为加入表面活性元素才会 使 液 体 粘度降低。D 错，因为降低
9、液体温度 会 使 液 体 粘度上升。2、B 正确A 错，因为向系统中加入削弱原子间结合力的组元可以降低表面张力。C 错，因为加入表面活性元素才会 使 液 体 表面张力降低。D 错，因为加入自由电子数目多的溶质元素 会 使 液 体 表面张力上升。3、D 错，因为根据公式（1-22） ，可清楚地看出其规律。 HgDC44、C 正确。4SGLA 错。通常，熔点高的物质其表面张力比熔点低的物质高，但也存在反例。如 Mg 与 Zn 同样都是二价金属，Mg 的熔点为 650，Zn 的熔点为 420，但 Mg 的表面张力为 559mN/m( dyn/cm)；Zn 的表面张力却为 782mN/m。B 错。原子
10、体积小于及大于溶剂原子体积的元素，均有降低液体表面张力的例证。如 S 的原子半径（1.04）小于 Fe 的半径（ 1.27 ） ，S 大为降低铁液的表面张力，而 Pb 原子半径（1.75 ）大于 Al 的半径（1.43 ） ，Pb 也大为降低铝液的表面张力。根据表面吸附热力学，不论溶质原子体积小于还是大于溶剂原子，只要为表面活性元素均降低表面张力。D 错。奥氏体钢熔体的表面张力，随 Ni 含量的变化在不同的范围呈不同的趋势，并受 Cr 含量的影响。三、简答题：1、答：斯托克斯公式： 2)(92rgBm金属液粘度 越低、产生的夹杂或气泡半径 r 越大、夹杂或气泡 密 度 B 越小，则精炼效果越好
11、。2、答：表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所造成。由于液体或固体的表面原子受内部的作用力较大，而朝着气体的方向受力较小，这种受力不均引起表面原子的势能比内部原子的势能高。因此，物体倾向于减小其表面积而产生表面张力。因此，物质内部原子间结合力越大，则表面张力及表面能越高。3、 答 ： 各张力（符号）如图所示，润饰角与张力之间的平衡关系式为： GLScos假设 GL 保持不变：LSGS，则 90o，即润饰角为钝角角，液相对固相不润饰。 LS 越大，则润饰角 越大，表明液相对固相的润饰性越差；LS=GS，则 =90o，液相对固相处于润饰和不润饰关系的临界点。4、答：液膜的拉断临界应力 fma
12、x 大小为： Trpf 2/max因此， = fmaxT/2=0.825N/m液膜拉断时若无外界液体补充，那么晶粒间或枝晶间便形成了凝固热裂纹。S 在钢铁液体中严重降低表面张力，可见，液膜的表面张力越大（S 越低） ，液膜越薄，则液膜的拉断临界应力fmax 越大，裂纹越难形成。5、答： 根据流体力学的斯托克斯公式： ，式中： 为夹杂物和气泡的上2)(92rgBmLSGS GL5纯金属、共晶成分合金及结晶温度很窄的合金停止流动机理示意图浮速度，r 为气泡或夹杂的半径， m 为液体合金密 度 ， B 为夹杂或气泡密 度 ， g 为 重 力 加 速度 。 m4103.)(29Bmg练习三一、填空题1
13、、充型能力是设计浇注系统的重要依据之一，充型能力弱，则可能产生浇不足、冷隔、砂眼、铁豆、抬箱，以及卷入性气孔、夹砂等缺陷。2、液态金属本身的流动能力称为“ 流动性 ”，是液态金属的工艺性能之一，它取决于液态金属的密度、比热、合金的结晶潜热及结晶温度范围等3、液态金属的“充型能力”取决于金属既取决于金属本身的流动性，也取决于铸型性质、浇注条件、铸件结构等外界因素的影响，是各种因素的综合反映。4、铸件的浇注系统静压头 H 越高，液态金属密度 及比热 、合金的结晶潜热 越大，浇11CH注温度 、铸型温度 T 型 越高，充型能力越强。浇5、铸型的 C2、 2、 2 越大即蓄热系数 b2（ ）越大，铸型
14、的激冷能力就越强，金属2液于其中保持液态的时间就越短，充型能力下降。二、选择题1、A 正确。最小壁厚从小到大的正确排列顺序为：熔模铸造、砂型、金属型，原因在于铸型的传热及蓄热性质的高低。具体大小见教材表 1-4。2、B、错。通常，在共晶成分处的合金有最好的流动性。但也有例外的情况，对于 Al-Si 合金，由于潜热的影响，最好流动性并不在共晶成分处（Si12.6%） ，而是在含 Si 量为 18-20%左右，这是因为 Si 晶体结晶潜热为 180.7104J/kg，为 -Al(38.9104J/kg)的 4 倍以上，而且，过共晶成分 Al-Si 合金的初生块状 Si 强度较低，不容易形成坚固的枝
15、晶网络，结晶潜热的作用得以发挥。与之相似，灰口铸铁由于石墨高的结晶潜热（38310 4J/kg，约为 Fe 的 14 倍） ，最佳流动性也在过共晶成分。3、D 错。牌号确定的铸件，因组织及性能的要求，其成分往往不可以随意改变。应该从工艺上采取措施。4、A 错。根据 Fe-C 相图，成分范围 C2.0%-4.3%的 Fe-C 合金，结晶温度范围随含 C 量的增加而减小，因此流动性变好。三、问答及计算题：1、答：对于纯 金 属 、 共 晶 成 分 合 金 和 结 晶 温 度 范 围 很 窄 的 合金 ， 其 停 止 流 动 机 理 如 右 图 所 示 。 在 金 属 的 过 热 量 未 散 失 尽
16、 以前 为 纯 液 态 流 动 (图 中 a),为 第 区 。 金 属 液 继 续 流 动 ， 冷 的 前端 在 型 壁 上 凝 固 结 壳 (图 中 b)， 而 后 的 金 属 液 是 在 被 加 热 了 的管 道 中 流 动 ， 冷 却 强 度 下 降 。 由 于 液 流 通 过 区 终 点 时 ， 尚具 有 一 定 的 过 热 度 ， 将 已 凝 固 的 壳 重 新 熔 化 ， 为 第 区 。 所6以 ， 该 区 是 先 形 成 凝 固 壳 ， 又 被 完 全 熔 化 。 第 区 是 未 被 完 全 熔 化 而 保 留 下 来 的 一 部 分 固 相 区 ，在 该 区 的 终 点 金 属
17、 液 耗 尽 了 过 热 热 量 。 在 第 区 里 ， 液 相 和 固 相 具 有 相 同 的 温 度 -结 晶 温 度 。 由于 在 该 区 的 起 点 处 结 晶 开 始 较 早 ， 断 面 上 结 晶 完 毕 也 较 早 ， 往 往 在 它 附 近 发 生 堵 塞 (图 中 c)。因为此 类 合 金 或 纯 金 属 在固定的凝固温度下，已凝固的固相层由表面逐步向内部推进，固相层内表面比较光滑，对液体的流动阻力小，直至如图所示的第 区 的 截 面 完 全 凝 固 ， 合 金 才 停 止流 动 ， 这 类 合 金 液 流 动 时 间 长 ， 所 以 流 动 性 好 。2、 答：机翼铸造常出现“浇不足”缺陷可能是由金属液的充型能力不足造成的，可采取以下工艺提高成品率：（1）使用小蓄热系数的铸型来提高金属液的充型能力；采用预热铸型，减小金属与铸型的温差，提高金属液充型能力。（2）提高浇注温度，加大充型压头，可以提高金属液的充型能力。（3）改善 ，提高金属液的充型能力。
