铸件形成理论习题集.docx

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铸件形成理论习题集

1•液态金属的结构和性质

1、加热时原子距离的变化如图1—2所示，试问原子间的平衡距离R。

与温度有

何关系?

Ro、Ri、R2…..的概念？

答：

温度的变化，只改变原子的间距，并不改变原子间的平衡位置，即Ro不变。

而Ro,Ri,R2….是温度升高时，原子振动的中心位置。

因为温度升高，振幅加大但曲线（W-R）是不对称的，所以振幅中心发生变化。

2、图1-1纵坐标表示作用力，金属原子的运动可以看成是一种振动，其振动在

图中如何表示的？

物质受热后为什么会膨胀？

答：

振幅在图中的表示：

如图1-2中数条的平行线。

加热时，能量增加，原子间距增加，金属部空穴增加，即产生膨胀。

3、图1-1中的Q是熔化潜热吗？

在熔化温度下，金属吸收热量而金属温度不变，熔化潜热的本质是什么？

答：

Q不是熔化潜热。

在熔化温度下金属吸收热量①体积膨胀做功②增加系统能（电阻，粘性都发生突变）原子排列发生紊乱。

在熔点附近，原子间距为R1,能量很高，但是引力大，需要向平衡位置运动，当吸收足够能量----熔化潜热时，使原

子间距＞R1,引力减小，结合键破坏，进入熔化状态，熔化潜热使晶粒瓦解,

液体原子具有更高的能量而金属的温度并不升高。

（使晶粒瓦解，并不是所有

结合键全部破坏）

4、通过哪些现象和实验说明金属熔化并不是原子间的结合力全部被破坏？

答：

（1）体积变化：

固态—气态：

体积无限膨胀。

固态到液态，体积仅增加3~5%，原子间距仅增加1~1.5%。

（2）熵值变化：

△Sm/△S仅为0.13~0.54%

（3）熔化潜热：

原子结合键只破坏了百分之几

（4）X线衍射分析：

液态金属原子分布曲线波动于平衡密度曲线上下第一

峰位置和固态衍射线极为相近，其配位数也相近，第二峰值亦近似。

距

离再大，则与固态衍射线远了，液态金属中原子的排列在几个原子间距的围，与其固态的排列方式基本一致。

5、纯金属和实际金属在结构上有何异同？

试分析铸铁的液态结构。

答：

纯金属的液态结构：

接近熔点的液态金属是由和原子晶体显微晶体和“空穴”组成。

实际金属的液态结构：

存在着两种起伏：

能量起伏，浓度起伏。

微观上是由结构和成分不同的游动原子集团，空穴和许多固态，气态，液态化合物组成，是一种浑浊液体，而从化学键上看除了金属基体与其合金元素组成的金属键外，还存在着其他化学健。

铸铁的液态结构：

Fe为基体金属，含C,Si，少量Mn，S,P液体以Fe为

主可能含有SiO2,MnS,FeS等杂质，还可能有H2,N2,O2等气体，而大部分

C,Si,Mn,S,P基体均匀分布在液体中。

6、试分析能量起伏和浓度起伏在在生核中的作用

答：

生核时必须有一定大小的晶胚，这需能量起伏，使原子集团达到一定大小才能成核。

而浓度起伏对二相以上液态金属成核很重要，一定的浓度起伏才可能瞬时达到某一相的要求。

7、斯托克斯公式在什么条件下方可应用？

在充型过程中杂质在金属液的上浮或

者下沉速度能否用此公式描述?

:

斯托克斯公式（stoks）:

2

2rew。

杂g

9

条件：

杂质上升过程保持或近似球形且上升很慢，且杂质很小（r<0.1mm）,

满足Re红1°

充型过程：

杂质物半径很小，可使用stoks公式。

8、同一种元素在不同液态金属中的表面吸附作用以及同一种元素在同一种液态

金属中的表面吸附作用是否相同？

为什么？

答：

同一种元素在不同液态金属中表示吸附作用不同。

因为：

不同液态金属的c不同。

同种液态金属c与c界不同。

9、液态金属的表面力和界面力有何异同？

表面力和附加压力有何区别和联系?

答：

液态金属的表示力指c液一气：

表示单位长度上作用着力

液态金属的界面力指c液-固，c液-液：

不同相界面上单位长度作用着力

附加压力是表示由力引起的

10、试推导p吉古

（T

H0.5

V5.56103

89s

任一曲度的曲率半径：

表示（任一曲度）上通过某点做垂直于此表面的直线，在通过此线做一平面，

此平面与表面的截线为曲面，曲率半径即为与此曲线相垂直的圆心的曲率半径即为R1垂直于第一个平面在做一个平面此第二平面亦通过垂直直线并与表面相交由此可得第二个截线和第二个曲率半径，即为R2

图中为任一截面的小截面，具有两个曲率半径R1和R2,我们可以将截面取的足够小，以使R1和R2基本是定值。

若表面向外移动而形成比额外表面所需之功为：

△F=0-（xdy+ydx）

在表面二边将有压力差P,作用在xy面上病经过dz的距离相应的功为

△W=P.xydz

自相似三角形的比较可得：

xdx/Ridzx/Ridxx.dz/Ri

ydy/R2dzy/R2dyy.dz/R2

Fw

x.ydzydxpxydz

x.ydz/R2ydxR1pxydz

ii

P%兀

ii、在球铁液中，石墨球的半径

r5iO3,0.002kg/cm3,铁水包高为0.5m，求

石墨球从包底上升到包顶的时间。

答：

322

2

5.56103m/s

5103102700020009.81

V=9

0.0049

12、设钢液与砂型绝对不湿润，钢的密度为7000g/cm3表面力为1.5N/m，求

其填充5mm的薄板时所需的附加压头，计算说明什么?

答:

22cos

rR

p1.2103~g70009.8

21.51

3

2510

0.174m

2

1.210N/m

说明浇铸5mm钢板需要的压头不高，可以满足

13、1593C的钢液wc0.75%加铝脱氧生成AQ,如能使此Ag颗粒上浮到

钢液表面得到质量较好的钢。

加入脱氧产物在1524mm处生成，试确定钢液脱氧后2min上浮到钢液表面的Al2O3最小颗粒的尺寸。

答:

2r12g

v

9

1.524

260

0.0127m/s

2r2700040009.81239.812

0.0127r

90.004994.9

293

r9.51510,r0.097510m0.0975cm

62

1.334710r

14、从物质结构的变化说明金属的熔化与汽化有何不同？

通过哪些实验证实?

答：

汽化：

原子间结合键全部破坏；

熔化：

与固态相似一体积变化，熔化与汽化潜热。

2.液态金属的充型能力

1、试述液态金属的充型能力和流动性之间在概念上的区别，并举例说明。

答：

液态金属的充型能力：

充满铸型型腔，获得形状完整轮廓清晰的铸件能力。

影响因素：

金属液体的流动能力，铸型性质，浇铸条件，铸件结构。

流动性：

液态金属本身的流动能力，与金属本身有关：

成分，温度，杂质物理性质。

其流动性一定，但充型能力不高，可以改

变某些因素来改变，流动性是特定条件下的充

型能力。

2、用螺旋形试样测定合金的流动性时，为了使得

数据稳定和重复性好，应该控制哪些因素？

答：

铸型性质

浇铸条件

3、试分析中等结晶温度围的合金停止流动机理。

答：

过热能量散失尽以前，金属液也可以纯金属液态流动。

温度下降到液相线

以下，首先生成了一批小晶粒，在型壁上长成细而长的柱状晶，空隙的液体继续流，流动过程继续生长柱状晶，在液体温度不段下降时，出现等轴晶，阻塞通道。

介于两者之间，出现枝状晶时，温度不产生大量晶粒，但是生长到一定程度，等轴晶大量析出。

4、碳钢Wc0.25~0.4流动性螺旋试样流束前端常出现豌豆形突出物，经化学分

析，突出物的S，P较高，试解释生成原因。

答：

豌豆型突出物可能是FeS，Fe3P2其熔点比钢熔点低，故在结晶终了析出，一般在晶界上，则形成豌豆状。

5、AL-Mg合金机翼，壁厚为3mm，长为1500mm，其铸造工艺为采用粘土砂型，常压下浇铸，常浇铸不足而报废，你认为应该采取哪些工艺措施来提高铸件的成品率？

答：

提高铸型的透气性提高浇铸温度足够的压头④变质处理⑤浇铸系统合理⑥涂烟黑涂料，减小b2。

6、欲铸造壁厚为3mm，外形尺寸为580355305mm的箱体，（材质为ZL106）你认为如何浇铸更合理？

答：

应使305mm的方向为垂直方向，更利于充型

7、采用石膏铸型可产生壁厚达0.8mm的铝合金铸件（石膏为绝热材料）但是

常出现浇铸不足分析产生该缺陷的原因，如何消除？

答：

可能的原因：

铸型温度低，排气不好，浇铸温度低等措施：

预热铸型，加强排气，提高浇铸温度

8、采用高温出炉，低温浇铸的工艺措施，为什么可提高合金的流动性？

答：

高温出炉：

使一些难熔的质点熔化，未熔的质点和气体在浇包中镇静有机会上浮而使金属净化，提高流动性。

低温浇铸，一般来讲，浇铸温度越高，充型能力越强但是温度过高，会使金属吸气更多，氧化严重，充型能力幅度减小，所以最好是，高温出炉，低温浇铸。

9、试分析亚共晶铝硅合金和过共晶铝硅合金的流动性。

答：

亚共晶铝硅合金：

随着硅的百分含量增加，结晶围增大流动性降低当Si%=1.65%时，出现共晶组织，结晶温度围减小，故流动性有上升，一直到共晶成分均匀。

过共晶铝硅合金：

当Si%=11.7%，达到共晶成分，一般来讲，它在此点的流动性最好。

而

后流动性逐渐下降但对Al-Si合金出现了反常，因为过共晶合金初生（®相

为比较规整的块状晶体不形成“坚强”的网络，使合金仍流动，这样，结晶潜

热可以起作用，所以超过共晶点后，流动性继续增高。

10、用同一种合金浇铸同一批铸件，其中有一两件出现浇不足缺陷，可能是什么

原因？

答：

（1）可能是铸型不同：

如砂型，不能保证让每个型都一样。

（2）浇铸工艺，浇铸温度。

11、四类因素中，在一般条件下，哪些是可以控制的？

哪些是不可控的？

提高浇

铸温度会带来什么副作用？

答：

一般条件下：

合金与铸件结构不可控制，而铸型和浇铸条件可以控制，浇铸温度太高，容易使金属吸气，氧化严重达不到预期效果。

12、合金液在半径为r的型腔中流动，试证明经L长的温度△T为

2ToT型L/r1C1V，式中v是流速，T。

——x=0处的温度。

证明：

tt型ds.d

dv.1C|dt

dt

tt型

FiG

P

Int

c

0时，tto,c

F1C1

P

ent

F1C1|

1n

p

tt型

t0t型

Fcv,tot型tto

vIn

tto

tot型

Pt0t型

2

riCiV|

P

r1c1vttor1c1v

.tot型2

ttot2Ltot型/r1c1v

3.

并讨论在上述几种

液态金属的传热与凝固方式

1.试分析铸件在金属型，砂型，保温型中凝固时的传热过程,

情况影响传热的限制性环节及温度场的特点。

答：

（1）砂型：

2远小于1，铸件冷却缓慢断面上的温差很小，而铸型表面被铸件加热到很高的温度，而外表面仍处于较低的温度。

砂型本身的热物理性质是主要因素（限制环节）。

（2）金属型：

a.铸件较厚，涂料较厚。

铸件的冷却和铸型的加热都不十分激烈，大部分温度降在中间层，而铸型和铸件上温度分布均匀。

传热过程主要取决于涂料层的热物理性质。

b.当涂料层很厚时，铸件的冷却和铸型的加热都很激烈，有明显的温度梯度

界面热量很小，可忽略。

传热过程取决于铸件、铸型的热物理性质。

（3）保温型：

与砂型情况类似，只是铸型比铸件的冷却更缓慢，铸型界面处温度梯度较大，而外部温度低（接近金属型后涂料）。

2.试应用凝固动态曲线分析铸件的凝固特征，根据铸件的动态凝固曲线能否判断其停止流动的过程。

答：

①某一时刻的各区宽度，L、L+S、S、L+S宽度分别为，逐层、体积、中间凝固方式。

②结壳早晚：

结壳晚结壳早结壳正常

停止流动的过程:

两线重合或垂直距离小，流动管道中晶体长大阻塞而停止流动

两线垂直距离大，液体中析出晶体较多，连成网络而阻塞。

两线垂直中等，管道壁有一部分柱状晶，中心有等轴晶，使剩余的液体停止流动。

3.试证明铁在熔点浇入铝制容器中，铝型表明不会熔化

已知：

铁液熔点tio=1539C入=23.26wmk，G921Jkgk，

6900kgm

铝液熔点660C，"23.26wmk，C2921Jkgk，

t20=20Co

解：

起始边界温度tF

tF

b1t10

b2t20

blb2

b

■...1C1P1

12157.9

b2

2C2p2

1745.2

t

12157.9

153927317454.2209273

Lf

12157.917454.2

915.64k642.64°c660°c

不会熔化

4.用契福利诺夫定律计算铸件的凝固时间，误差来源于几方面？

半径相同的圆柱

和球哪个误差大？

大铸件与小铸件哪个误差大？

金属型和砂型哪个误差大？

契福利诺夫定律:

答:

⑴误差来自:

金属型和接触面是无限大的平面，铸件和铸型的壁厚都是半无限大的与金属液接触的铸型表面温度浇注后立即达到金属表面温度，且以后保持不变；

凝固时在恒温下进行的；

4除结晶潜热外，在凝固过程中没有任何其他能量析出，如化学反应等。

5铸型和金属的热物理性质不随时间变化

6金属液对流作用所引起的温度场改变忽略不计。

⑵.半径相同的球和柱体:

圆柱体:

r2.l

2r.l2

球：

R卫丄应该是球的误差大于圆柱的，因为若是长圆柱的两端面近乎

2

4r3

散热，而球整个表面积均散热，与半无限大件相差更远

大件和小件：

小件误差大，因为小件个方面均散热，与半无限大的物件相距很远。

金属型和砂型：

金属型误差大，远离半无限大。

5.在下列三种情况下直径为100mm纯铁球的凝固时间：

1）无过热在砂型中凝固，

2）无过热在铁型中凝固，

3）过热在100°C的砂型中凝固；

答：

1）无过热在砂型中凝固

b2

2丄

Ac638.9J/mcs2厂1lV1

2b2s1

2丄

639J/m2cs2

t0

985.7s

错选工艺及原理：

t10

1500c,t20

20

1c11

bi

7500kg/m3,123.26W/m.c

^23.26837.4750012087J/m2cs2

837.4J/kg.c,1

268kj/kg

R2

F

1v十s

rD

0.0167（m）

36

2b2tFt20

+.1[Lc1t浇ts]

tF

St。

b2t20120871500

b1b2

12087

639201425.7c

639

1

104m/s2

26391425.7205.047500268000

22

R20.0167

2418.3伸1

K25.04104

2无过热在铁型中凝固

b2

61.64544.3710016434

tF1208715001643420647

rD

36

2b2tF

•1[Lc1

0.0167（m）

tF

St。

b?

t

20

b|b2

12087

263914257205.04

、•7500268000

22

R20.0167

K25.04104

2无过热在铁型中凝固

t20

t浇ts]

12087150063920,

1425.7c

639

104m/s2

18.3伸i

、c61.64544.3710016434

1208715001643420

1208716434

21643464720

5.78

<.7500268000

0.01672

38.34s

5.78103

3）过热100c在砂型中凝固

k26391425.-20

岂―750026800083740

22

167

3.84

b2

tF

0.0167

3.84104

6.产生厚为250mm

厚的铝板,

647

103

1）求凝固时间。

2）用数学分析法求在铸件表面

答：

x=62.5mm时

ti

tFtF

tioerf

62.5

2»a1

x=12.5

，热中心时

t1

tFtF

t10erf

12.5

2a1

竺空63.84104m/s

4675821881

1891.3s31.5mi

在无过热的情况下注入砂型

62.5mm和热中心两点额冷却曲线。

给定不同的时间，求出对应的t1即可绘制出曲线。

7.一面为砂型，另一面某种专用材料制成的铸型中浇铸厚度为50mm铝板，浇

铸时无过热，凝固后检验其组织，在位于砂型37.5mm

砂

型

12.5

37.5

卜发现轴线缩松,

用

材

料

b2

k2

2b2tFt20

浇ts

计算专用材料的蓄热系数

k—

V1LGt①用tm替换tF

2

k2

2b2tmt20

x''丄

b2

2b2tF

2btm

t20

b>

b>

tF

tF

b2

b>

639

12.5

37.5

213Jm2C

0.5s

t20

v1'1L

b2ty七20

b2tFt20

biteb?

t20_

db2

同理

k2b2tF

t20

其中，bi

17454

17454,b>639.t10660C

66063920

17454639

637.4C

吐10匕2七20

b1b2

639637.420

17454660b220

1151964020b220

b2

17454b2

1151946020b22017454b2

17454

394518.6

1117038

b217454b2

610.890.035b2

b2

b220

17454b2

b2

375

即,610.890.035b2*2

12.5

0.035

b2

206

8.对下列金属试样计算凝固层厚度与凝固时间的关系曲线

1）纯铁液无过热砂型；

2）纯铝液过热砂型；

3）纯铁液注入800C的保温型中;

4）纯铝液注入到石膏型中；

5）试分析影响的曲线因素;

答：

1）用5题的结果:

—k.、5.0410\（m）

k

2）用6题的结果：

k、、

3）保温铸型按石膏铸型：

20.48,21440,C20.84,t20800C

4）熟石膏：

t2020C,0.48,1440,C0.48

5）试分析影响因素:

主要取决于k:

k

2b2tFt20

C1t浇

1铸型：

b

2铸件：

广C1

3铸型：

t20

4铸件：

t10

5铸件：

L、ts即合金本身的性质。

9.已知厚为50mm的板材铸件在砂型中的凝固时间为6min，在保温铸型中的凝

保温型

轴线缩松区

固时间为20min，如采用复合铸型（即一面为砂型，一面为保温铸型），欲在砂切削后得到47mm厚的密致板件，铸件厚度最少应为多大型

25mm0.025m

2

2

0.025

2660

k

k21

故，k21

22

2

20.2510

0.25

3

k13610

6

10

50mm,

2

ki

0.0251

3

2

0.025

360

2

0.025“

10

6

6-.10

1.131810

60詈

因砂型边凝固的快，保

保温：

20

k2

0.0472

6

保温则：

002520.1

2、、k?

铸件最小壁厚为47

冗7・217104

147mm

2

0.0476

101272s2.12min

0.025

7.21710412720.0257m25.7mm

25.772.7mm

10.试确定如下两种铸件的凝固时间（均为无过热注入砂型）

⑴厚度为100mm的板型铸件。

⑵直径为100mm的球型铸件

⑶比较计算结果并讨论之。

答:

m100

R1

50mm

0.05m

5.0410

R

k2

0.052

32

5.0410

5104

5.04106

R2

5.04

10

100

103

5.04103

16.7

5.04

16.7mm

10.98s

2

2

1098.4s

1.67102m

98.4

0.67J/g.c,1

0.301

2铸件的热物性值为i76g/cm，ci

凝潜热L=272J/g，固液两相温度为ts

1470C,tL1520C。

砂型的热物性值

为21.6gCm3,C21.09C120.0117jcmsC。

砂型的浇铸温度为

1550C,铸件-铸型间的等效换热系数h°.209Jcm2sC，忽略砂型与大

气的换热，铸件壁厚为100mm，两侧砂型壁厚为100mm

t10

t1

0.301

3,

sC

7.6g

cm

27叫上

1550C,t20

Mt0

tata

X1

aahl

即,0.117ta

tata

X丄

aahl

即,0.117ta

解：

M—a

2

X

C

，C10.67

20.0117,C21.09,2

1470C,tl

30C,h

2t1t2

tbta

X

1.6

1520C

0.209J2

/cm

C11Xta

ta

ba

ta1.7007tbta

5.092tata

tbta

X

C22

Xta

ta

2

X

0.0661tbta

3,x1cm

a1M

a13

30.059

1.744tata

5.65s

0.301

a1

0.059c10.677.6

1

301550?

5.560.677.6

1

1ta1550

aa

ta30,tb1550Cta

即，176.3675.092ta1550

34.636ta1550ta1515C,回升到ta1520°C

aa

20.3010.0117

0.3010.0117

0.023

2ta132,ta1520,tb1550

0.11713215201.700715501520