《材料成形基本原理（第3版）》 習(xí)題及答案 第三章 單元復(fù)習(xí)題

第三章凝固溫度場(chǎng)第一節(jié)傳熱基本原理一、填空1.溫度梯度指溫度隨的變化率，對(duì)于一定溫度場(chǎng)，沿等溫面或等溫線方向的溫度梯度最大，圖形上沿著該方向的等溫面（或等溫線）。2.根據(jù)傳熱學(xué)的基本理論，熱量傳遞的基本方式有、和三種。在連續(xù)介質(zhì)內(nèi)部或相互接觸的物體之間不發(fā)生而僅依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的而產(chǎn)生的熱量傳輸稱(chēng)為熱傳導(dǎo)。3.鑄造過(guò)程中液態(tài)金屬在充型時(shí)與鑄型間的熱量交換以為主，鑄件在鑄型中的凝固、冷卻過(guò)程以為主。4.不僅在上變化并且也隨變化的溫度場(chǎng)稱(chēng)為不穩(wěn)定溫度場(chǎng)。熔焊時(shí)焊件各部位的溫度隨熱源的而變，屬于不穩(wěn)定溫度場(chǎng)，又稱(chēng)之為焊接熱循環(huán)。5.傅里葉定律是過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，求解該偏微分方程的主要方法有方法與方法，后者是用計(jì)算機(jī)程序來(lái)求解數(shù)學(xué)模型的，最常用的數(shù)值解法是和。6.在求解熱傳導(dǎo)過(guò)程中的溫度場(chǎng)時(shí)需要根據(jù)具體問(wèn)題給出導(dǎo)熱體的邊界條件，一般將邊界條件分為類(lèi)，其中以邊界條件最為常見(jiàn)。對(duì)于不穩(wěn)定溫度場(chǎng)的求解，除了邊界條件之外，還要提供導(dǎo)熱體的條件。二、單選題：1.熔焊過(guò)程中熱源與焊件間的熱量傳遞方式屬于：（）（1）熱傳導(dǎo)（2）熱對(duì)流（3）熱輻射（4）以上全部2.熔焊過(guò)程中熔池內(nèi)部的熱量傳遞以（）方式為主。（1）熱傳導(dǎo)（2）熱對(duì)流（3）熱輻射（4）以上全部3.熔焊過(guò)程中焊件內(nèi)部的熱量傳遞以（）方式為主。（1）熱傳導(dǎo)（2）熱對(duì)流（3）熱輻射（4）以上全部4.熔焊過(guò)程中焊件表面與周?chē)諝饨橘|(zhì)之間的熱量傳遞方式屬于：（）（1）熱傳導(dǎo)（2）熱對(duì)流（3）熱輻射（4）以上全部三、簡(jiǎn)答1.右圖為某平板熔焊過(guò)程中焊件表面的溫度分布狀況，標(biāo)出其最大溫度梯度方向，并指出當(dāng)前熱源位置與移動(dòng)方向。第二節(jié)鑄造過(guò)程溫度場(chǎng)一、下面各題的選項(xiàng)中，哪一個(gè)是錯(cuò)誤的：1.在推導(dǎo)半無(wú)限大平板鑄件凝固過(guò)程溫度場(chǎng)的求解方程時(shí)進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化：（1）熱量沿著鑄件與鑄型的接觸界面的法線方向一維熱傳導(dǎo)；（2）鑄件與鑄型內(nèi)部的溫度始終為均溫；（3）不考慮凝固過(guò)程中結(jié)晶潛熱的釋放；（4）不考慮鑄件與鑄型界面熱阻。2.使用半無(wú)限大平板鑄件凝固過(guò)程溫度場(chǎng)的求解方程時(shí)：（1）鑄件一側(cè)的溫度梯度始終高于鑄型中的溫度梯度；（2）鑄件與鑄型的蓄熱系數(shù)始終不變；（3）鑄件與鑄型的接觸界面的溫度始終不變；（4）鑄件向鑄型一側(cè)的散熱速率逐漸降低。3.對(duì)于無(wú)限大平板鑄件的凝固時(shí)間計(jì)算：（1）沒(méi)考慮鑄件與鑄型接觸界面的熱阻；（2）考慮了鑄件凝固潛熱的釋放；（3）凝固時(shí)間是指從澆注開(kāi)始至鑄件凝固完畢所需要的時(shí)間；（4）凝固層厚度取鑄件板厚的一半。二、簡(jiǎn)答1.已知某半無(wú)限大板狀鑄鋼件的熱物性參數(shù)為：導(dǎo)熱系數(shù)λ=46.5W/(m·K)，比熱容C=460.5J/(kg·K)，密度ρ=7850kg/m3，取澆鑄溫度為1570℃，鑄型的初始溫度為20℃。用描點(diǎn)作圖法繪出該鑄件在砂型和金屬型鑄模（鑄型壁均足夠厚）中澆鑄后0.02h、0.2h時(shí)刻的溫度分布狀況并作分析比較。鑄型的有關(guān)熱物性參數(shù)見(jiàn)表2-2。2.右圖為大平板純鋁鑄件在不同凝固工藝條件下的凝固曲線，分析它們間的凝固條件差別。3.右圖為200mm厚度的25#鋼大平板鑄件分別在金屬型與砂型中的動(dòng)態(tài)凝固曲線，根據(jù)圖形說(shuō)明兩種情況下的：（1）凝固方式；（2）凝固時(shí)間；（3）凝固過(guò)程中最寬的固液兩相區(qū)；（4）距鑄件表面50mm處的起始凝固時(shí)刻及凝固結(jié)束用時(shí)；（5）凝固組織差別；（6）如果鑄件兩側(cè)的鑄型分別采用金屬型與砂型，會(huì)出現(xiàn)什么情況？4.在砂型中澆鑄尺寸為30030020mm的純鋁板。設(shè)鑄型的初始溫度為20℃，澆注后瞬間鑄件-鑄型界面溫度立即升至純鋁熔點(diǎn)660℃，且在鑄件凝固期間保持不變。澆鑄溫度為670℃，金屬與鑄型材料的熱物性參數(shù)見(jiàn)下表：熱物性材料導(dǎo)熱系數(shù)λW/(m·K)比熱容CJ/(kg·K)密度ρkg/m3熱擴(kuò)散率m2/s結(jié)晶潛熱J/kg純鋁212120027006.510-53.9105砂型0.739184016002.510-7試求：（1）根據(jù)平方根定律計(jì)算不同時(shí)刻鑄件凝固層厚度s,并作出曲線；（2）分別用“平方根定律”及“折算厚度法則”計(jì)算鑄件的完全凝固時(shí)間；（3）分析差別。100010001601606001205.比較同樣體積大小的球狀、塊狀、板狀及桿狀鑄件凝固時(shí)間的長(zhǎng)短。6.右圖為一灰鑄鐵底座鑄件的斷面形狀，其厚度為30mm，利用“模數(shù)法”分析砂型鑄造時(shí)底座的最后凝固部位，并估計(jì)凝固終了時(shí)間。第三節(jié)熔焊過(guò)程溫度場(chǎng)一、填空1.熔焊熱源具有能量密度、作用時(shí)間的特點(diǎn)，可以使焊件局部溫度，產(chǎn)生。通常熔焊熱源相對(duì)于焊件以一定速度，焊件上不同部位隨著與熱源距離的接近與遠(yuǎn)離而經(jīng)歷一次的熱循環(huán)。2.采用解析法求解焊接溫度場(chǎng)時(shí)，根據(jù)焊件的幾何特征將熱源在焊件上的簡(jiǎn)化成、、三類(lèi)，之后熱量以方式向四周母材傳播。3.采用相同的焊接規(guī)范在不同厚度的試板表面堆焊，隨著板厚的增加，焊件的最高加熱溫度，熔池的體積，冷卻速度。4.當(dāng)電弧功率一定時(shí)，增大焊接速度，相同溫度等溫線橢圓所包圍的范圍，橢圓的被拉長(zhǎng)；當(dāng)焊接速度一定時(shí)，增大電弧功率，相同等溫線橢圓所包圍的面積，而橢圓的形態(tài)。二、改錯(cuò)1.對(duì)于厚板的焊接，可以將熱源功率視為作用于一個(gè)點(diǎn)上，該點(diǎn)位于熱源正下方的焊件表面，之后熱量沿板厚方向進(jìn)行熱傳導(dǎo)。2.對(duì)于薄板的焊接，可以將熱源功率視為作用于熱源正下方的焊件表面，之后熱量沿板厚方向進(jìn)行熱傳導(dǎo)。3.薄板或桿件的焊接，由于焊件的比表面積比厚板時(shí)大，因此表面散熱作用較強(qiáng)，冷卻速度較快。4.當(dāng)電弧功率與焊接速度成比例增大時(shí)，由于單位長(zhǎng)度焊件上的熱輸入（即焊接線能量）保持不變，因此在焊件中所形成的溫度場(chǎng)相同。三、簡(jiǎn)答1.對(duì)于低碳鋼薄板，采用鎢極氬弧焊較容易實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形（背面均勻焊透）。采用相同規(guī)范去焊同樣厚度的鋁板會(huì)出現(xiàn)什么后果？為什么？對(duì)于板狀對(duì)接單面焊焊縫，當(dāng)焊接規(guī)范一定時(shí)，經(jīng)常在起弧部位附近存在一定長(zhǎng)度的未焊透，分析其產(chǎn)生原因并提出相應(yīng)工藝解決方案。第一節(jié)傳熱基本原理一、填空1.溫度梯度指溫度隨距離的變化率，對(duì)于一定溫度場(chǎng)，沿等溫面或等溫線法線方向的溫度梯度最大，圖形上沿著該方向的等溫面（或等溫線）最密集。2.根據(jù)傳熱學(xué)的基本理論，熱量傳遞的基本方式有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種。在連續(xù)介質(zhì)內(nèi)部或相互接觸的物體之間不發(fā)生相對(duì)位移而僅依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳輸稱(chēng)為熱傳導(dǎo)。3.鑄造過(guò)程中液態(tài)金屬在充型時(shí)與鑄型間的熱量交換以熱對(duì)流為主，鑄件在鑄型中的凝固、冷卻過(guò)程以熱傳導(dǎo)為主。4.不僅在空間上變化并且也隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)稱(chēng)為不穩(wěn)定溫度場(chǎng)。熔焊時(shí)焊件各部位的溫度隨熱源的施加及移動(dòng)而變，屬于不穩(wěn)定溫度場(chǎng)，又稱(chēng)之為焊接熱循環(huán)。5.傅里葉定律是熱傳導(dǎo)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，求解該偏微分方程的主要方法有解析方法與數(shù)值方法，后者是用計(jì)算機(jī)程序來(lái)求解數(shù)學(xué)模型的近似解，最常用的數(shù)值解法是差分法和有限元法。6.在求解熱傳導(dǎo)過(guò)程中的溫度場(chǎng)時(shí)需要根據(jù)具體問(wèn)題給出導(dǎo)熱體的邊界條件，一般將邊界條件分為三類(lèi)，其中以換熱邊界條件最為常見(jiàn)。對(duì)于不穩(wěn)定溫度場(chǎng)的求解，除了邊界條件之外，還要提供導(dǎo)熱體的初始條件。二、單選題：1.熔焊過(guò)程中熱源與焊件間的熱量傳遞方式屬于：（4）（1）熱傳導(dǎo)（2）熱對(duì)流（3）熱輻射（4）以上全部2.熔焊過(guò)程中熔池內(nèi)部的熱量傳遞以（2）方式為主。（1）熱傳導(dǎo)（2）熱對(duì)流（3）熱輻射（4）以上全部3.熔焊過(guò)程中焊件內(nèi)部的熱量傳遞以（1）方式為主。（1）熱傳導(dǎo)（2）熱對(duì)流（3）熱輻射（4）以上全部4.熔焊過(guò)程中焊件表面與周?chē)諝饨橘|(zhì)之間的熱量傳遞方式屬于：（4）（1）熱傳導(dǎo)（2）熱對(duì)流（3）熱輻射（4）以上全部三、簡(jiǎn)答1.右圖為某平板熔焊過(guò)程中焊件表面的溫度分布狀況，標(biāo)出其最大溫度梯度方向，并指出當(dāng)前熱源位置與移動(dòng)方向。答：最大溫度梯度方向：AB方向；當(dāng)前熱源位置：A點(diǎn)上方；熱源移動(dòng)方向：AB方向。第二節(jié)鑄造過(guò)程溫度場(chǎng)一、下面各題的選項(xiàng)中，哪一個(gè)是錯(cuò)誤的：1.在推導(dǎo)半無(wú)限大平板鑄件凝固過(guò)程溫度場(chǎng)的求解方程時(shí)進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化：（2）（1）熱量沿著鑄件與鑄型的接觸界面的法線方向一維熱傳導(dǎo)；（2）鑄件與鑄型內(nèi)部的溫度始終為均溫；（3）不考慮凝固過(guò)程中結(jié)晶潛熱的釋放；（4）不考慮鑄件與鑄型界面熱阻。2.使用半無(wú)限大平板鑄件凝固過(guò)程溫度場(chǎng)的求解方程時(shí)：（1）（1）鑄件一側(cè)的溫度梯度始終高于鑄型中的溫度梯度；（2）鑄件與鑄型的蓄熱系數(shù)始終不變；（3）鑄件與鑄型的接觸界面的溫度始終不變；（4）鑄件向鑄型一側(cè)的散熱速率逐漸降低。3.對(duì)于無(wú)限大平板鑄件的凝固時(shí)間計(jì)算：（1）（1）沒(méi)考慮鑄件與鑄型接觸界面的熱阻；（2）考慮了鑄件凝固潛熱的釋放；（3）凝固時(shí)間是指從澆注開(kāi)始至鑄件凝固完畢所需要的時(shí)間；（4）凝固層厚度取鑄件板厚的一半。二、簡(jiǎn)答1.已知某半無(wú)限大板狀鑄鋼件的熱物性參數(shù)為：導(dǎo)熱系數(shù)λ=46.5W/(m·K)，比熱容C=460.5J/(kg·K)，密度ρ=7850kg/m3，取澆鑄溫度為1570℃，鑄型的初始溫度為20℃。用描點(diǎn)作圖法繪出該鑄件在砂型和金屬型鑄模（鑄型壁均足夠厚）中澆鑄后0.02h、0.2h時(shí)刻的溫度分布狀況并作分析比較。鑄型的有關(guān)熱物性參數(shù)見(jiàn)表2-2。解：（1）砂型：=12965=639界面溫度：=1497℃鑄件的熱擴(kuò)散率：=1.310-5m2/s根據(jù)公式分別計(jì)算出兩種時(shí)刻鑄件中的溫度分布狀況見(jiàn)表1。表1鑄件在砂型中凝固時(shí)的溫度分布與鑄型表面距離（m）00.020.040.060.080.10溫度（℃）t=0.02h時(shí)149715231545155915661569t=0.20h時(shí)149715051513152115281535根據(jù)表1結(jié)果做出相應(yīng)溫度分布曲線見(jiàn)圖1。（2）金屬型：=12965=15434界面溫度：=727.6℃同理可分別計(jì)算出兩種時(shí)刻鑄件中的溫度分布狀況見(jiàn)表2與圖2。表2鑄件在金屬型中凝固時(shí)的溫度分布與鑄型表面距離（m）00.020.040.060.080.10溫度（℃）t=0.02h時(shí)727.610301277143815201555t=0.20h時(shí)727.6823915100510801159t=0.02ht=0.0h圖2鑄件在金屬型中凝固時(shí)的溫度分布曲線圖1鑄件在砂型中凝固時(shí)的溫度分布曲線t=0.02ht=0.0h圖2鑄件在金屬型中凝固時(shí)的溫度分布曲線圖1鑄件在砂型中凝固時(shí)的溫度分布曲線(3)分析：采用砂型時(shí)，鑄件金屬的冷卻速度慢，溫度梯度分布平坦，與鑄型界面處的溫度高，而采用金屬鑄型時(shí)相反。原因在于砂型的蓄熱系數(shù)b比金屬鑄型小得多。2.右圖為大平板純鋁鑄件在不同凝固工藝條件下的凝固曲線，分析它們間的凝固條件差別。答：（1）線1與線2之間鑄型散熱能力不同；（2）線2與線3之間澆注溫度不同；（3）線4為激冷下的凝固過(guò)程。3.右圖為200mm厚度的25#鋼大平板鑄件分別在金屬型與砂型中的動(dòng)態(tài)凝固曲線，根據(jù)圖形說(shuō)明兩種情況下的：（1）凝固方式；（2）凝固時(shí)間；（3）凝固過(guò)程中最寬的固液兩相區(qū)；（4）距鑄件表面50mm處的起始凝固時(shí)刻及凝固結(jié)束用時(shí)；（5）凝固組織差別；（6）如果鑄件兩側(cè)的鑄型分別采用金屬型與砂型，會(huì)出現(xiàn)什么情況？解：（1）凝固方式：金屬型---逐層凝固方式；砂型----體積凝固方式或中間凝固方式；（2）凝固時(shí)間：金屬型---11min；砂型---47min；（3）凝固過(guò)程中最寬的固液兩相區(qū)：近30min時(shí)刻，約80mm×2=160mm寬；（4）距鑄件表面50mm處的起始凝固時(shí)刻：金屬型---5min；砂型---17min；至凝固結(jié)束用時(shí)：金屬型---7min；砂型---42min；（5）凝固組織：金屬型---柱狀晶；砂型---外層柱狀晶，內(nèi)部等軸晶；（6）靠金屬型一側(cè)的凝固速度較快，最終凝固的對(duì)合面靠近砂型一側(cè)。4.在砂型中澆鑄尺寸為30030020mm的純鋁板。設(shè)鑄型的初始溫度為20℃，澆注后瞬間鑄件-鑄型界面溫度立即升至純鋁熔點(diǎn)660℃，且在鑄件凝固期間保持不變。澆鑄溫度為670℃，金屬與鑄型材料的熱物性參數(shù)見(jiàn)下表：熱物性材料導(dǎo)熱系數(shù)λW/(m·K)比熱容CJ/(kg·K)密度ρkg/m3熱擴(kuò)散率m2/s結(jié)晶潛熱J/kg純鋁212120027006.510-53.9105砂型0.739184016002.510-7試求：（1）根據(jù)平方根定律計(jì)算不同時(shí)刻鑄件凝固層厚度ξ,并作出曲線；（2）分別用“平方根定律”及“折算厚度法則”計(jì)算鑄件的完全凝固時(shí)間；（3）分析差別。解：(1)代入相關(guān)已知數(shù)解得：，=1475，=0.9433(m)根據(jù)公式計(jì)算出不同時(shí)刻鑄件凝固層厚度s見(jiàn)下表,曲線見(jiàn)下圖。τ(s)020406080100120(mm)04.226.007.318.449.4310.3關(guān)系曲線關(guān)系曲線(2)利用“平方根定律”計(jì)算出鑄件的完全凝固時(shí)間：?。?0mm，代入公式解得：τ=112.4(s)；利用“折算厚度法則”計(jì)算鑄件的完全凝固時(shí)間：=8.824(mm)=87.5(s)（3）采用“平方根定律”計(jì)算出的鑄件凝固時(shí)間比“折算厚度法則”的計(jì)算結(jié)果要長(zhǎng)，這是因?yàn)椤捌椒礁伞钡耐茖?dǎo)過(guò)程假設(shè)鑄件僅沿板厚方向一維散熱，而“折算厚度法則”考慮了鑄件的三維方向散熱。5.比較同樣體積大小的球狀、塊狀、板狀及桿狀鑄件凝固時(shí)間的長(zhǎng)短。解：一般在體積相同的情況下上述物體的表面積大小依次為：A球<A塊<A板<A桿根據(jù)與所以凝固時(shí)間依次為：t球>t塊>t板>t桿。10001601606001206.右圖為一灰鑄鐵底座鑄件的斷面形狀，其厚度為30mm，利用1000160160600120解：將底座分割成A、B、C、D四類(lèi)規(guī)則幾何體。查表2-3得：K=0.72()對(duì)A有：RA=VA／AA=1.23cmA=RA2／KA2=2.9minAAAAAAAABBCCCCDDDB=RB2／KB2=3.4min對(duì)C有：RC=VC／AC=1.2cmC=RC2／KC2=2.57min對(duì)D有：RD=VD／AD=1.26cmD=RD2／KD2=3.06min因此最后凝固部位為底座中肋B處，凝固終了時(shí)間為3.4分鐘。第三節(jié)熔焊過(guò)程溫度場(chǎng)一、填空1.熔焊熱源具有能量密度高、作用時(shí)間短的特點(diǎn)，可以使焊件局部溫度迅速上升，產(chǎn)生熔化。通常熔焊熱源相對(duì)于焊件以一定速度移動(dòng)，焊件上不同部位隨著與熱源距離的接近與遠(yuǎn)離而經(jīng)歷一次溫度上升與下降的熱循環(huán)。2.采用解析法求解焊接溫度場(chǎng)時(shí)，根據(jù)焊件的幾何特征將熱源在焊件上的作用部位簡(jiǎn)化成點(diǎn)、線、面三類(lèi)，之后熱量以熱傳導(dǎo)方式向四周母材傳播。3.采用相同的焊接規(guī)范在不同厚度的試板表面堆焊，隨著板厚的增加，焊件的最高加熱溫度降低，熔池的體積減小，冷卻速度加快。4.當(dāng)電弧功率一定時(shí)，增大焊接速度，相同溫度等溫線橢圓所包圍的范圍顯著減小，橢圓的長(zhǎng)軸被拉長(zhǎng)；當(dāng)焊接速度一定時(shí)，增大電弧功率，相同等溫線橢圓所包圍的面積增大，而橢圓的形態(tài)變化不大。二、改錯(cuò)1.對(duì)于