材料成型基本原理第2版刘全坤课后答案

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1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流动性,不能承受切应力;远程无序,近程有序固体具有自由表面;可压缩性很低不具有流动性,可承受切应力;远程有序液体远程无序,近程有序;有自由表面;可压缩性很低气体完全占据容器空间并取得容器内腔形状;具有流动性完全无序;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VmV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Hm约为气化潜热Hb的115~130,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(=NV)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。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。而液体的g(r)出现若干渐衰的钝化峰直至几个原子间距后趋于直线g(r)=1,表明液体存在短程有序的局域范围,其半径只有几个原子间距大小。②从金属熔化过程看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VmV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。另一方面,金属熔化潜热Hm约为气化潜热Hb的115~130,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。可以说,在熔点(或液相线)附近,液态金属(或合金)的原子集团内短程结构类似于固体。③Richter等人利用X衍射、中子及电子衍射手段,对碱金属、Au、Ag、Pb和Tl等熔体进行了十多年的系统研究,认为液体中存在着拓扑球状密排结构以及层状结构,它们的尺寸范围约为106107cm。3原子集团的聚集长大,将阻碍金属液粘度的上升。通常,表面活性元素使液体粘度降低,非表面活性杂质的存在使粘度提高。7过共析钢液η=0.0049Pa﹒S,钢液的密度为7000kgm3,表面张力为1500mNm,加铝脱氧,生成密度为5400kgm3的Al2O3,如能使Al2O3颗粒上浮到钢液表面就能获得质量较好的钢。假如脱氧产物在1524mm深处生成,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:根据流体力学的斯托克斯公式:,式中:为夹杂物和气泡的上浮速????2)(92rgBm????度,r为气泡或夹杂的半径,ρm为液体合金密度,ρB为夹杂或气泡密度,g为重力加速度。m41034.1)(29??????Bmgr????分析物质表面张力产生的原因以及与物质原子间结合力的关系。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。原子间结合力越大,表面内能越大,表面张力也就越大。但表面张力的影响因素不仅仅只是原子间结合力,与上述论点相反的例子大量存在。研究发现有些熔点高的物质,其表面张力却比熔点低的物质低,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559mNm;Zn的表面张力却为782mNm。此外,还发现金属的表面张力往往比非金属大几十倍,而比盐类大几倍。这说明单靠原子间的结合力是不能解释一切问题的。对于金属来说,还应当从它具有自由电子这一特性去考虑。9表面张力与界面张力有何异同点?界面张力与界面两侧(两相)质点间结合力的大小有何关系?答:界面张力与界面自由能的关系相当于表面张力与表面自由能的关系,即界面张力与界面自由能的大小和单位也都相同。表面与界面的差别在于后者泛指两相之间的交界面,而前者特指液体或固体与气体之间的交界面,但更严格说,应该是指液体或固体与其蒸汽的界面。广义上说,物体(液体或固体)与气相之间的界面能和界面张力为物体的表面能和表面张力。当两个相共同组成一个界面时,其界面张力的大小与界面两侧(两相)质点间结合力的大小成反比,两相质点间结合力越大,界面能越小,界面张力就越小;两相间结合力小,界面张力就大。相反,同一金属(或合金)液固之间,由于两者容易结合,界面张力就小。10液态金属的表面张力有哪些影响因素?试总结它们的规律。答:液态金属的表面张力的影响因素有:(1)原子间结合力原子间结合力越大,表面内能越大,表面张力也就越大。但表面张力的影响因素不仅仅只是原子间结合力,研究发现有些熔点高的物质,其表面张力却比熔点低的物质低。此外,还发现金属的表面张力往往比非金属大几十倍,而比盐类大几倍。这说明单靠原子间的结合力是不能解释一切问题的。对于金属来说,还应当从它具有自由电子这一特性去考虑。(2)温度液态金属表面张力通常随温度升高而下降,因为原子间距随温度升高而增大。123

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