材料成型基本原理习题答案

第三章1．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G L 随温度上升而下降的斜率大于固相G S 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）VdP SdT dG +-=并根据数学上的全微分关系： dy yF dx x F y x dF xy ⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=),(得：（2）dP P G dT T G dG TP ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=比较（1）式和（2）式得： V P G S T G TP=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂-=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂,等压时dP =0 ，此时 （3）dT T G SdT dG P⎪⎭⎫⎝⎛∂∂=-=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G L 随温度上升而下降的斜率大于固相G S 的斜率的理由如下： 因为液态熵大于固态熵，即： S L ＞ S S 所以：＞即液相自由能G L 随温度上升而下降的斜率大于固相G S 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V G ∆T m 表示液-固平衡凝固点从图中可以看出：T > T m 时，ΔG=Gs-G L ﹥0，此时 固相→液相T = T m 时，ΔG=Gs-G L =0，此时 液固平衡 T < T m 时，ΔG=Gs-G L ＜0，此时 液相→固相 所以ΔG 即为相变驱动力。

再结合（3-6）式来看，m m V T TH G ∆⋅∆-=∆（其中：ΔH m —熔化潜热， ΔT —过冷度）)(T T m -=由于对某一特定金属或合金而言，T m 及ΔH m 均为定值，所以过冷度ΔT 是影响凝固相变驱动力ΔG 的决定因素 。

2．怎样理解溶质平衡分配系数K 0的物理意义及热力学意义？答：（1）K 0的物理意义如下：溶质平衡分配系数K 0定义为：特定温度T *下固相合金成分浓度C 与液相合金成分浓度*S C 达到平衡时的比值：*L K 0 =**LSC C K 0＜1时，固相线、液相线构成的张角朝下，K 0越小，固相线、液相线张开程度越大，开始结晶时与终了结晶时的固相成分差别越大，最终凝固组织的成分偏析越严重。

材料成型参考答案材料成型参考答案材料成型是指通过加工和处理原始材料，将其转变为具有特定形状和性能的制品的过程。

它是现代工业生产中不可或缺的环节，涉及到多种材料和多种成型方法。

在本文中，我们将探讨一些常见的材料成型参考答案，以便更好地理解和应用这些技术。

一、金属成型金属成型是指将金属材料加工成所需形状的过程。

常见的金属成型方法包括锻造、压力成型、铸造和粉末冶金等。

锻造是通过对金属材料施加压力和热力来改变其形状和结构的方法。

压力成型包括挤压、拉伸、冲压和深冲等，通过对金属材料施加压力来使其变形。

铸造是将液态金属注入到模具中，使其凝固成为特定形状的方法。

粉末冶金是将金属粉末压制成形状后进行烧结，使其成为坚固的金属制品。

二、塑料成型塑料成型是指将塑料材料加工成所需形状的过程。

常见的塑料成型方法包括注塑、挤出、吹塑和热压等。

注塑是将熔化的塑料材料注入到模具中，使其凝固成为特定形状的方法。

挤出是将熔化的塑料材料挤出成连续的形状，如管材和板材等。

吹塑是将熔化的塑料材料注入到膨胀的模具中，使其成为中空的形状，如瓶子和容器等。

热压是将熔化的塑料材料放置在模具中，通过加热和压力使其成形。

三、橡胶成型橡胶成型是指将橡胶材料加工成所需形状的过程。

常见的橡胶成型方法包括压延、压制和注塑等。

压延是将橡胶材料通过辊压的方式使其变薄并成为特定形状的方法。

压制是将橡胶材料放置在模具中，通过加热和压力使其成形。

注塑是将熔化的橡胶材料注入到模具中，使其凝固成为特定形状的方法。

四、陶瓷成型陶瓷成型是指将陶瓷材料加工成所需形状的过程。

常见的陶瓷成型方法包括注塑、挤压和烧结等。

注塑是将陶瓷材料注入到模具中，使其凝固成为特定形状的方法。

挤压是将陶瓷材料通过挤出的方式使其变形成特定形状。

烧结是将陶瓷材料在高温下进行加热，使其成为坚固的陶瓷制品。

总结起来，材料成型是一门综合性的技术，涉及到多种材料和多种成型方法。

通过合理选择和应用不同的成型方法，可以使原始材料转变为具有特定形状和性能的制品，满足各种工业生产的需求。

第一章习题1 . 液体与固体及气体比较各有哪些异同点？哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏？答：（1）液体与固体及气体比较的异同点可用下表说明相同点不同点液体具有自由表面；可压缩性很低具有流动性，不能承受切应力；远程无序，近程有序固体不具有流动性，可承受切应力；远程有序液体完全占据容器空间并取得容器内腔形状；具有流动性远程无序，近程有序；有自由表面；可压缩性很低气体完全无序；无自由表面；具有很高的压缩性（2）金属的熔化不是并不是原子间结合力的全部破坏可从以下二个方面说明：①物质熔化时体积变化、熵变及焓变一般都不大。

金属熔化时典型的体积变化∆V m/V为3%~5%左右，表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。

②金属熔化潜热∆H m约为气化潜热∆H b的1/15~1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。

由此可见，金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。

2 . 如何理解偶分布函数g(r) 的物理意义？液体的配位数N1、平均原子间距r1各表示什么？答：分布函数g(r) 的物理意义：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(处于坐标原子r=0)距离为r的位置的数密度ρ(r)对于平均数密度ρo（=N/V）的相对偏差。

N1 表示参考原子周围最近邻(即第一壳层)原子数。

r1 表示参考原子与其周围第一配位层各原子的平均原子间距，也表示某液体的平均原子间距。

3．如何认识液态金属结构的“长程无序”和“近程有序”？试举几个实验例证说明液态金属或合金结构的近程有序（包括拓扑短程序和化学短程序）。

答：（1）长程无序是指液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性。

近程有序是指相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有序的原子集团（2）说明液态金属或合金结构的近程有序的实验例证①偶分布函数的特征对于气体，由于其粒子（分子或原子）的统计分布的均匀性，其偶分布函数g(r)在任何位置均相等，呈一条直线g(r)=1。

机械学院--固态成形部分《材料成形原理》习题解（1）绪论1、什么是金属的塑性？什么是塑性成形？塑性成形有何特点？答：在外力的作用下使金属材料发生永久的塑性变形而不破坏其完整性的能力称为金属的塑性。

金属材料在一定的外力作用下，利用其塑性而使其成形并获得一定力学性能的加工方法称为塑性成形。

塑性成形的特点是（1）组织、性能好；（2）材料利用率高；（3）如在模具中成型，尺寸精度高，生产效率高。

第六章1、如何完整的表示受力物体内任一点的应力状态？原因何在？答：为了完整的表示受力物体内任一点的应力状态，围绕该点切取一平行于坐标轴的六面体作应力单元体，用三个微分面上的应力来完整的描述该点的应力状态。

在一般情况下表示一点的应力状态须用九个应力分量来描述，由切应力互等定理，只须用六个应力分量来描述，如果以主轴作坐标系，一点的应力状态只须用三个应力分量来描述。

应力单元体，应力张量，应力莫尔圆，应力椭球面都是点的应力状态的表达方法。

2、叙述下列术语的定义或含义：张量：张量是矢量的推广，可以定义由若干个当坐标系改变时满足转换关系的分量所组成的集合为张量应力张量：在一定的外力条件下，受力物体内任一点的应力状态已被确定，如果取不同的坐标系，表示该点的应力状态的九个应力分量将有不同的数值，而该点的应力状态并没有变化，因此，在不同坐标系中的应力分量之间应该存在一定的关系。

符合数学上张量之定义，表示该点的应力状态的九个应力分量构成一个二阶张量，称为应力张量。

应力张量不变量：应力状态特征方程式中的系数J1、、J2、J3、不随坐标而变，所以将J1、、J2、J3、称为应力张量的第一、第二、第三不变量。

主应力：切应力为零的微分面称为主平面，主平面上的正应力称为主应力。

主切应力：切应力达极大值的微分面称为主切应力平面，主切应力平面上的切应力称为主切应力。

最大切应力：三个主切应力中绝对值最大的一个。

主应力简图：只用主应力的个数及符号来描述一点应力状态的简图。

第二章凝固温度场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 K R =τ 与 11A V R = 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30030020 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/m 3 热扩散率a m 2/s 结晶潜热 J/kg 纯铝212 1200 2700 6.510-5 3.9105砂型 0.739 1840 1600 2.510-7 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τ-s 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： 2222ρλc b =，=1475 ，()()[]S i T T c L T T b K -+ρπ-=10112022 = 0.9433 (m s m /)根据公式K ξτ=计算出不同时刻铸件凝固层厚度s 见下表,τξ-曲线见图3。

τ (s) 020 40 60 80 100 120 ξ (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：图3 τξ-关系曲线取ξ ＝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：11A V R = = 8.824 (mm) 2⎪⎭⎫ ⎝⎛=K R τ = 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。

第四章1． 何谓结晶过程中的溶质再分配它是否仅由平衡分配系数K 0所决定当相图上的液相线和固相线皆为直线时，试证明K 0为一常数。

答：结晶过程中的溶质再分配：是指在结晶过程中溶质在液、固两相重新分布的现象。

溶质再分配不仅由平衡分配系数K 0决定 ，还受自身扩散性质的制约，液相中的对流强弱等因素也将影响溶质再分配。

当相图上的液相线和固相线皆为直线时K 0为一常数，证明如下：如右图所示：液相线及固相线为直线，假设其斜率分别为m L 及m S ，虽然C *S 、C *L 随温度变化有不同值，但L m S m L S m T T m T T C C K /)(/)(0****--===SL m m =常数， 此时，K 0与温度及浓度无关，所以，当液相线和固相线为直线时，不同温度和浓度下K 0为定值。

2．B 开始凝固。

温度梯度大到足以使固-液界面保持平面生长。

假设固相无扩散，液相均匀混合。

试求：①α相与液相之间的平衡分配系数K 0；②凝固后共晶体的数量占试棒长度的百分之几③凝固后的试棒中溶质B 的浓度沿试棒长度的分布曲线。

解：（1）平衡分配系数K 0 的求解：由于液相线及固相线均为直线不同温度和浓度下K 0为定值，所以：如右图，当T=500℃时，K 0 =**L C C α=%60%30=0.5 K 0即为所求 α相与液相之间的 平衡分配系数.（2）凝固后共晶体的数量占试棒长度的百分数的计算:由固相无扩散液相均匀混合下溶质再分配的正常偏析方程代入已知的*L C = 60％ , K 0 = 0.5, C 0= C B =40%可求出此时的L f = 44.4％由于T=500℃为共晶转变温度,所以此时残留的液相最终都将转变为共晶组织,所以凝固后共晶体的数量占试棒长度的百分数也即为44.4％.（3）凝固后的试棒中溶质B 的浓度沿试棒长度的分布曲线 (并注明各特征成分及其位置)如下:3． 在固相无扩散而液相仅有扩散凝固条件下，分析凝固速变大（R 1→R 2，且R 2＞R 1）时，固相成分的变化情况，以及溶质富集层的变化情况。

第一章流体的主要物理性质1-1何谓流体，流体具有哪些物理性质？答：流体是指没有固定的形状、易于流动的物质。

它包括液体和气体。

流体的主要物理性质有：密度、重度、比体积压缩性和膨胀性。

1-2某种液体的密度ρ=900 Kg／m3，试求教重度γ和质量体积v。

解：由液体密度、重度和质量体积的关系知：∴质量体积为1.4某种可压缩液体在圆柱形容器中，当压强为2MN／m2时体积为995cm3，当压为多少?强为1MN／m2时体积为1000 cm3，问它的等温压缩率kT公式(2-1):解：等温压缩率KTΔV=995-1000=-5*10-6m3注意：ΔP=2-1=1MN/m2=1*106Pa将V=1000cm3代入即可得到K=5*10-9Pa-1。

T注意：式中V是指液体变化前的体积1.6 如图1.5所示，在相距h＝0.06m的两个固定平行乎板中间放置另一块薄板，在薄板的上下分别放有不同粘度的油，并且一种油的粘度是另一种油的粘度的2倍。

当薄板以匀速v＝0.3m/s被拖动时，每平方米受合力F=29N，求两种油的粘度各是多少?解：流体匀速稳定流动时流体对板面产生的粘性阻力力为平板受到上下油面的阻力之和与施加的力平衡，即代入数据得η=0.967Pa.s第二章流体静力学2-1作用在流体上的力有哪两类，各有什么特点?解:作用在流体上的力分为质量力和表面力两种。

质量力是作用在流体内部任何质点上的力，大小与质量成正比，由加速度产生，与质点外的流体无关。

而表面力是指作用在流体表面上的力，大小与面积成正比，由与流体接触的相邻流体或固体的作用而产生。

2-2什么是流体的静压强，静止流体中压强的分布规律如何?解：流体静压强指单位面积上流体的静压力。

静止流体中任意一点的静压强值只由该店坐标位置决定，即作用于一点的各个方向的静压强是等值的。

2-3写出流体静力学基本方程式，并说明其能量意义和几何意义。

解:流体静力学基本方程为：同一静止液体中单位重量液体的比位能可以不等，比压强也可以不等，但比位能和比压强可以互换，比势能总是相等的。

材料成型原理（材料成形热过程） 资料习题1、与热处理相比，焊接热过程有哪些特点？答：（1）焊接过程热源集中，局部加热温度高（2）焊接热过程的瞬时性，加热速度快，高温停留时间短（3） 热源的运动性，加热区域不断变化，传热过程不稳定。

2、影响焊接温度场的因素有哪些？试举例分别加以说明。

•热源的性质•焊接工艺参数•被焊金属的热物理性质•焊件的板厚和形状3、何谓焊接热循环？答：焊接热循环：在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程，即焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低而高，达到最高值后，又由高而低随时间的变化。

焊接热循环具有加热速度快、峰值温度高、冷却速度大和相变温度以上停留时间不易控制的特点3、焊接热循环的主要参数有哪些？它们对焊接有何影响？•加热速度•峰值温度•高温停留时间•冷却速度 或 冷却时间决定焊接热循环特征的主要参数有以下四个：（1）加热速度ωH 焊接热源的集中程度较高，引起焊接时的加热速度增加，较快的加热速度将使相变过程进行的程度不充分，从而影响接头的组织和力学性能。

（2）峰值温度Ｔmax 。

距焊缝远近不同的点，加热的最高温度不同。

焊接过程中的高温使焊缝附近的金属发生晶粒长大和重结晶，从而改变母材的组织与性能。

（3）相变温度以上的停留时间t H 在相变温度T H 以上停留时间越长，越有利于奥氏体的均匀化过程，增加奥氏体的稳定性，但同时易使晶粒长大，引起接头脆化现象，从而降低接头的质量。

（4）冷却速度ωC (或冷却时间t 8 / 5) 冷却速度是决定焊接热影响区组织和性能的重要参数之一。

对低合金钢来说，熔合线附近冷却到540℃左右的瞬时冷却速度是最重要的参数。

也可采用某一温度范围内的冷却时间来表征冷却的快慢，如800～500℃的冷却时间t 8 / 5，800～300℃的冷却时间t 8/3，以及从峰值温度冷至100℃的冷却时间t 100。

5、焊接热循环中冷却时间5/8t 、3/8t 、100t 的含义是什么？焊接热循环中的冷却时间5/8t 表示从800︒C 冷却到500︒C 的冷却时间。

第一章习题1 .液体与固体及气体比较各有哪些异同点？哪些现象说明金属的熔化并 不是原子间结合力的全部破坏？答：(1)液体与固体及气体比较的异同点可用下表说明(2) 金属的熔化不是并不是原子间结合力的全部破坏可从以下二个方 面说明： ① 物质熔化时体积变化、熵变及焓变一般都不大。

金属熔化时典型的体积变化 V/V 为3%~5左右，表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附近 其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。

② 金属熔化潜热 Hn 约为气化潜热 H 的1/15~1/30，表明熔化时其内 部原子结合键只有部分被破坏。

由此可见，金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内 原子的局域分布仍具有一定的规律性。

2 .如何理解偶分布函数g(r)的物理意义？液体的配位数 N I 、平均原子 间距r 1各表示什么？答：分布函数g(r)的物理意义：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(处于坐标原子r=0)距离为r 的位置的 数密度P (r)对于平均数密度P o (=N/V)的相对偏差。

N1表示参考原子周围最近邻(即第一壳层)原子数。

r如何认识液态金属结构的“长程无序”和“近程有序”？试举几个实 验例证说明液态金属或合金结构的近程有序(包括拓扑短程序和化学 短程序)。

1表示参考原子与其周围第一配位层各原子的平均原子间距，也表示 某液体的平均原子间距。

3. 答:(1 )长程无序是指液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性。

近程有序是指相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡” 着的局域有序的原子集团(2)说明液态金属或合金结构的近程有序的实验例证① 偶分布函数的特征对于气体，由于其粒子(分子或原子)的统计分布的均匀性，其偶分布函数 g(r) 在任何位置均相等，呈一条直线 g(r)=1 。

晶态固体因原子以特定方式周期排列，其 g(r) 以相应的规律呈分立的若干尖锐峰。

第二章 凝固温度场P498. 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。

9. 对于板状对接单面焊焊缝，当焊接规范一定时，经常在起弧部位附近存在一定长度的未焊透，分析其产生原因并提出相应工艺解决方案。

解：（1）产生原因：在焊接起始端，准稳态的温度场尚未形成，周围焊件的温度较低，电弧热不足以将焊件熔透，因此会出现一定长度的未焊透。

（2）解决办法：焊接起始段时焊接速度慢一些，对焊件进行充分预热，或焊接电流加大一些，待焊件熔透后再恢复到正常焊接规范。

生产中还常在焊件起始端固定一个引弧板，在引弧板上引燃电弧并进行过渡段焊接，之后再转移到焊件上正常焊接。

第四章 单相及多相合金的结晶 P909.何为成分过冷判据?成分过冷的大小受哪些因素的影响? 答: “成分过冷”判据为:R G L ＜NLD RLL L e K K D C m δ-+-0011当“液相只有有限扩散”时，δN =∞，0C C L =，代入上式后得R G L＜000)1(K K D C m L L -( 其中: G L — 液相中温度梯度 R — 晶体生长速度 m L — 液相线斜率 C 0 — 原始成分浓度 D L — 液相中溶质扩散系数 K 0 — 平衡分配系数K )成分过冷的大小主要受下列因素的影响:1）液相中温度梯度G L , G L 越小,越有利于成分过冷 2）晶体生长速度R , R 越大,越有利于成分过冷 3）液相线斜率m L ,m L 越大,越有利于成分过冷 4）原始成分浓度C 0, C 0越高,越有利于成分过冷 5）液相中溶质扩散系数D L, D L 越底,越有利于成分过冷6）平衡分配系数K 0 ,K 0＜1时，K 0 越 小,越有利于成分过冷；K 0＞1时，K 0越大,越有利于成分过冷。