《液态金属成型原理》习题二
(第四章?第六章)
1) 砂型铸造下图所示圆柱形铸钢件(单位为mm)。根据工艺需要加设冒口。如凝固系数为0.9cm/min1/2,分别估算计算和不计算冒口时,铸件凝固完毕所需的时间。
根据Chvorinov法则,τ= (V/S)2/K2, 不计算冒口时: 38.7 min.
计算冒口时45.8 min.
2) 砂型铸造一个二元合金铸件。成分为8%B。其相图如下。合金凝固时液相被充分搅拌,忽略固相扩散。 共晶温度时α中溶解11.3%B。CE=66%B。问1)最后锭中是否有共晶组织?若有,占多少?2)根据晶体生长理论,绘出其凝固组织(铸态)示意图。3)说明凝固组织是否稳态结构,如何得到稳态结构,绘出稳态组织示意图,说明理由。
[1] 若有共晶组织, 则最后凝固的CL = CE, 重量%为fE; 根据Scheil方程,CL=C0fL(k-1),假设分配系数k为常数, k=11.3/66=0.171; 即有:fE = (CE /C0) 1/(k-1) = (66/8) 1/(0.171-1) = 0.078 = 7.8%
[2] 根据相图,在砂型铸造条件下,首先形成α枝晶。由于合金凝固时液相充分搅拌,固相扩散不充分,不平衡凝固导致后凝固相溶质富集,最后7.8%液相达到CE,在初生α晶周形成共晶,如下左图示。这种共晶组织可能是离异共晶,晶周形成单β,合金为α+β两相组织。
- 1 -
[3] 这种共晶组织为亚稳组织,高温退火可以得到下右图示稳态组织。
3) 在确定合金成分后,能否从相图确定金属凝固组织?为什么?
在确定合金成分后,不能仅仅根据相图确定金属凝固组织,理由如下: A. 相图是平衡图,只能用于预测平衡凝固组织;
B. 在通常凝固条件下,由于动力学条件的限制,都是非平衡结晶;固、液相成分都偏离相图,常常出现亚稳相;工艺条件对凝固组织有强烈的影响。
4) 生产需要分析下图示铸钢件的化学成分,请确定钻取化学分析试样的位置,说明原因。
可以在厚12mm的法兰部位取几个试样,取其分析平均值。
由于溶质再分配及扩散的不均匀,取样的组织在不同部位可能有很大差异。浇注的金属在铸件薄壁快冷部位迅速凝固,溶质来不及扩散,其化学成分基本代表液体金属的平均成分
5) 依据凝固过程溶质再分配规律,开发出一种材料提纯的工艺,称为区域提纯(Zone Refining),生产高纯材料。请阐述它的原理和技术要点,并绘出示意图。
根据凝固过程溶质再分配规律,两种典型的非平衡凝固棒状试样的溶质分布规律如图示。利用它们都有将溶质集中到后凝的试样末端区的规律,设计一个区域加热器,使长条形金属从一端至另一端顺序被局部熔化,又重新结晶,如右图所示。经多次重复操作,溶质被集中在右端,左端获得高纯金属,达到提纯目的。
6) 纺织机用衬环是用砂型铸造方法生产的最薄的零件之一,如下图所示。材质为高速钢。钢液密度为7000kg/m3,设钢液表面张力为1.96N/m,完全不润湿型砂。求充填时,和渗入孔隙为0.01mm的砂隙时,为克服表面张力所必须的附加压力及相应的金属压头。如果将壁厚加大到2mm,计算新的所需压力值。
- 2 -
根据题意,钢液完全不润湿砂型,θ= 180o,附加压力 = 2σ/r, 相应的,ρgh =2σ /r ,则金属压头h=2σ/rρg 7) 已知铝液温度为780oC,粘度? = 1.06×10-3 N.s/m2,密度? = 2400kg/m3。铝液中含有Al2O3
球形颗粒,密度? =4000kg/m3,半径r = 0.001mm。求Al2O3下沉速度。
V = 2r2 (γ液 – γ杂 ) / 9η= 3.3×10-6 m/s
8) 盛钢桶内钢液深度为2米,设钢液粘度? = 6.5×10-3 N.s/m2,密度? = 7000kg/m3,钢液表面张力是1.87N/m,求:
a) 若采用静置法除气,问静置15分钟后,能浮到液面的最小气泡半径; b) 上述最小气泡在钢包底部所承受的压力(1大气压=105牛顿/m2)。
a) 设气泡密度为0;最底层气泡上浮平均速度 V=h/τ=2/15×60m/s; 能浮到液面的最小气泡半径:r = [9Vη / 2(γ液 – γ杂 )] 1/2
30.8μm
b) 环境压力为100kPa,气泡在钢包底部所承受的压力:
P=100kPa +( 2×1.87N/m)/30.8×10-6m + 7000 kg/m3×9.81m/s2×2m=358769Pa
9) 下图示三种金属在砂型中凝固时温度分布的近似值,那一种最接近实际?原因?
砂型铸造传热特点是: k型 / k金<<1; 铸件断面内G很小,温差很小,冷却缓慢; 铸型则相反,温差很大。
因此,a)最接近实际。
10) Cu-Sn、Cu-Al 二元系相图如下图示。假定需要考虑用Cu-5%Al和Cu-10%Sn来铸造相同的砂型铸件,指出这两种合金铸件的凝固方式。简述原因。 合金 Cu-5%Al 凝固方式 倾向逐层凝固 理 由 根据相图,合金凝固温度范围很窄 合金凝固温度范围很宽,砂型导热慢,温度分布比较平缓 Cu-19%Sn 倾向糊状凝固
- 3 -
凝固科学基础 习题二答案
![](/skin/haowen/images/icon_star.png)
![](/skin/haowen/images/icon_star.png)
![](/skin/haowen/images/icon_star.png)
![](/skin/haowen/images/icon_star.png)