金属凝固原理(全)

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1、金属凝固理论期末复习题一、是非判断题1 金属由固态变为液态时熵值的增加远远大于金属由室温加热至熔点时熵值的增加。 （错）2 格拉晓夫准则数大表明液态合金的对流强度较小。（错）3 其它条件相同时，凹形基底的夹杂物不如凸形基底的夹杂物对促进形核有效。（错）4 大的成分过冷及强形核能力的形核剂有利于等轴晶的形成。（对）5 大多数非小平面- 小平面共晶合金的共晶共生区呈现非对称型。（对）6 根据相变动力学理论，液态原子变成固态原子必须克服界面能。（对）7 具有糊状凝固方式的合金容易产生分散缩孔。（对）8. 金属熔体的黏度与金属的熔点相类似，本质都是反映质点间（原子间）结合力大小。（对）9. 以熔体中某

2、一参考原子作为坐标原点，径向分布函数表示距参考原子r处找到其他原子的 几率。 （错）10. 液态金属中在3-4个原子直径的范围内呈一有序排列状态，但在更大范围内，原子间呈 无序状态。 （对）11. 金属熔体的黏度越大，杂质留在铸件中的可能性就越大。（对）12. 半固态金属在成型过程中遵循的流变特性，主要满足宾汉体的流变特性（对）13. 在砂型中，低碳钢的凝固方式是体积凝固。（错）14. 铸型具有一定的发气能力，会导致型腔气体反压增大，充型能力下降。（对）15. 晶体生长的驱动力是固液两相的体积自由能差值。（对）16. 绝大多数金属或合金的生长是二维晶核生长机理。（错）17. Fe-Fe共晶合金

3、结晶的领先相是奥氏体。（错）18. 铸件中的每一个晶粒都代表着一个独立的形核过程，而铸件结晶组织的形成则是这些晶 核就地生长的结果。（错）19. 型壁附近熔体内部的大量形核只是表面细晶粒区形成的必要条件，而抑制铸件形成稳定 的凝固壳层则为其充分条件. （对）20. 对于薄壁铸件，选择蓄热系数小的铸型有利于获得细等轴晶。（错）21. 处理温度越高，孕育衰退越快。因此在保证孕育剂均匀溶解的前提下，应尽量降低处理 温度。（对）22. 铸铁中产生的石墨漂浮属于逆偏析。（错）23. 湿型铸造的阀体铸件件皮下形成的内表面光滑的气孔，其形成原因主要是砂型的发气量 大、透气性不足。 （对）二、名词解释1. 黏

4、度：是熔体在不同层面上存在相对运动时才表现出来的一种物理性能，其本质反映的是质点间的结合力大小。2. 金属遗传性：指在结构上，由原始炉料通过熔体阶段向铸造合金的信息传递，具体表现在原始炉料通过熔体阶段对合金零件凝固组织，力学性能及凝固缺陷的影响。3. 半固态铸造：指在金属的凝固过程中，对金属施加剧烈的搅拌或扰动、或改变金属的热状态、或加入晶粒细化剂、或进行快速凝固，即改变初生固相的形核和长大 过程，得到的一种液态金属熔体中均匀地悬浮着一定球状初生固相的固液 混合浆料，然后利用其进行成型的工艺。4. 充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力5. 非均质形核：指在不均匀的

5、熔体中依靠外来杂质或型壁界面提供的衬底进行形核的过程6. 临界形核半径：由金属学可知，只有大于临界半径的晶胚才可以作为晶核稳定存在，此 时的晶胚为临界晶核，其大小为临界形核半径7. 平衡分配系数：指在给定的温度T*下，平衡固相溶质浓度Cs*与液相溶质浓度Cl*之比，其决定了固液界面两侧溶质成分分离的系统热力学特性8. 成分过冷：指由溶质再分配导致界面前方熔体成分及其凝固温度发生变化而引起的过冷9. 枝晶间距：指相邻同次分枝之间的垂直距离，实际上则用金相视野下测得的各相邻同次分枝之间距离的统计平均值来表示10. 领先相：指在熔体中率先析出，并且能为第二相提供有效衬底，使第二相在其表面上析出，从而

6、确保共晶反应进行的那个相11. 共生生长：指两相彼此合作地一起向前生长，是共生共晶的生长过程，形成了两相相互交迭、紧密掺和的共晶体12. 离异生长：指共晶转变中合金熔体不能进入共生区，共晶两相没有共同的生长界面，它们以不同的速度而独立生长，即两相的析出在空间和时间上都是彼此分离 的，所形成的组织中没有共生共晶的组织特征，这种非共生共长的共晶结晶 方式称为离异生长13. 结晶雨：指凝固初期在液面形成的晶粒或顶部凝固层脱落的分枝由于密度比液体大而下沉，并且在下沉的过程中也可能发生枝晶的熔断和增殖的现象14. 孕育处理:指向液态金属中添加少量物质以实现细化晶粒、改善组织的一种工艺方法15. 动态晶粒

7、细化：指主要采用机械力或电磁力引起的固相发生相对运动，导致枝晶破碎或从型壁脱落，在液相中形成大量的晶核，以达到细化晶粒的目的16. 铸造应力：指铸件在凝固及冷却的过程中由于线收缩及固态相变会引起体积的收缩或膨胀，该变化往往受到外界的约束和铸件各部分之间的相互制约而不能自由的 进行，而在产生变形的同时也产生的应力，这种应力即为铸造应力17. 自然时效：指将具有残余应力的铸件放置在露天场地，经历较长时间，使应力慢慢的自然消失18. 形核率：指单位时间，单位体积液态金属中形成的晶核数，以N表示，其越高意味着单位体积中晶核数目越多，结晶结束后可获得更细小的凝固组织，提高力学性能19. 晕圈：指在共晶结

8、晶过程中，第二相环绕领先相生长而形成的外围层20. 液态金属的热速处理：指在合金熔炼时将熔体过热到液相线以上一定温度（一般高于液相线250-350 ）然后迅速冷却到浇注温度进行浇注的工艺21. 模数：是铸体的体积V与表面积S的比值22. 理想液态金属：指没有任何杂质及缺陷的纯金属熔体23. 流动性:指液态金属本身的流动能力24. 逆偏析：指铸件凝固后常常出现和正常偏析相反的溶质分布情况，当KO1时表面或底部含溶质元素多，而中心部分或上部含溶质较少的现象25. 密度偏析：即重力偏析，是熔体和固体共存或者不混合的液相之间存在着密度差时产生的化学成分不均匀现象，一般形成于金属凝固前或刚刚开始时26变

9、质处理：指向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使它在金 属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒， 达到提高材料性能的目的27热过冷：指仅由熔体实际温度分布所决定的过冷状态28. 界面平衡假设：为了方便研究，可以近似地认为在传热、传质和界面反应这三个基本过程中，单相合金的晶体生长仅取决于热的传输和质的传递，而原子通过 界面的阻力则小到可以忽略不计，界面处固液两相始终处于局部平衡状 态，根据相变动力学理论，局部平衡过程可以采用热力学方法处理，可 直接利用平衡相图来确定界面处固液相在任一瞬时的成分，即为界面平 衡假设29. 胞状生长：在窄成分过冷区的作

10、用下，不稳定的平坦就破裂成一种稳定的由许多近似旋 转抛物面的凸出圆胞和网络状的凹陷沟槽所构成的新的界面形态，此即胞状 界面，而以胞状界面向前推进的生长方式为胞状生长30. 规则共晶合金:指两相性质相近，其共生区成对称性型的共晶合金三、问答题1、液态金属的结构特点 液态金属在较少的范围内呈现于固态相近的有序结构，而在较大的范围内则以无规则排列 的形式存在，即短程有序，长程无序。2、说明缩孔缩松的形成原因及预防措施。 铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞， 称为缩孔。容积大而集中的孔洞称为集中缩孔，简称缩孔；细小而分散的孔洞成为分散性缩 孔，简称为缩松。

11、预防措施:在工艺方案设计方面首先根据合金凝固的特性采用顺序凝固或同时凝固的工艺 原则，其次可结合冒口补铁和冷铁等工艺措施的应用在浇注条件的控制上，一方面可以对 浇注温度和浇注速度进行调整，以加强顺序凝固或同时凝固，另一方面采用诸如加压补缩等 工艺，可防止显微缩松的产生3、说明共晶合金的生核生长特点，规则共晶和非规则共晶的区别。 特点:通过“搭桥“方式形核。大多数共晶合金结晶时，后析出相依附于领先相表面而析出， 形成具有两相共同生长界面的双相核心；然后依靠溶质原子在界面前沿两相间的横向扩散， 相互不断地为相邻的另一相提供生长所需的组元而使两相彼此合作地向前生长的生长方式。 规则共晶，即非小面-非

12、小面共晶多由金属-金属相组成，其两相的性质相似，共生区呈对称 型，在结晶的过程中共晶两相均具有非小面生长的粗糙界面；非规则共晶，即非小面-小面 共晶，多由金属-非金属相组成，其两相的性质差异较大，共生区往往偏向于高熔点的非金 属组元一侧，在结晶过程中一个相的固液界面为非小界面生长的粗糙界面，另一相则为小面 生长的平整界面。4、说明结晶与凝固的区别及凝固组织对铸坯质量和性能的影响。 结晶时加进水分子以后形成的水合物，形成了新的物质，属于化学变化；凝固时物质由液态 变为固态，没发生本质变化，是物理变化 铸坯的质量和性能与其凝固组织密切相关。就宏观组织而言，表面细晶粒区一般比较薄，并 且其可变化范围

13、很小，对铸坯的质量和性能影响相对较小。铸坯的质量与性能主要取决于柱 状晶区与等轴晶区的比例以及晶粒的大小。5、说明如何获得等轴细晶组织。 通过强化非均匀形核和促进晶粒游离以抑制凝固过程中柱状晶区的形成和发展，就能获得细 等轴晶组织。具体方法有:（1）合理控制浇注工艺和浇注条件，加大冷却速度，提高过冷度， 降低浇铸温度、提高铸型冷却能力、减小零件壁厚、强制冷却、内外“冷铁”。（2）孕育处 理和变质处理，加入晶粒细化剂和变质剂。（3）动力学细化，铸型振动，超声波振动，液相 电磁搅拌等促使型壁晶体的游离，枝晶臂断裂与游离。6、何为凝固动态曲线？有何意义？ 根据凝固体断面各位置的温度与时间的关系曲线在

14、位置与时间的坐标图上绘制出典型温度 的连线称为凝固动态曲线。意义：根据凝固动态曲线可以判断出铸件在凝固时不同时间的凝固区宽窄，而金属凝固区的 宽展决定了凝固体的凝固方式8、凝固方式分为几种？影响铸件凝固方式的因素有那些？对铸件质量有何影响？ 逐层凝固方式，对铸件质量的影响：流动性能好，容易获得健全的铸件。液体补缩好，铸 件的组织致密，形成集中缩孔的倾向大，热裂倾向小，气孔倾向小，应力大，宏观偏析严重。 体积凝固方式，对铸件质量的影响：流动性能不好，不容易获得健全的铸件。液体补缩不 好，铸件的组织不致密，热裂形成集中缩孔的倾向小。热裂倾向大，气孔倾向大，应力小， 宏观偏析不严重。 中间凝固方式，

15、对铸件质量的影响：可大幅改善铸件的组织和降低铸件的中心缺陷，介于 前两者之间因素：有合金凝固的温度区间和铸件断面的温度梯度两方面9、解释临界晶核半径r*和形核功AG*的意义，以及为什么形核要有一定过冷度？临界晶核半径r*：只有那些略大于临界半径的晶核，才能作为稳定晶核而长大，所以金属 凝固时，晶核必须要求等于或大于临界晶核。临界晶核半径随过冷度的增加而减小。形核功 G*：形核功AG*的大小为临界晶核表面能的1/3,它是均质形核所必须克服的能障， 形核功由熔体中的提供，过冷熔体中形成的晶核是“结构起伏”及“能量起伏”的共同产物。只有低于理论结晶温度，固相自由能才能低于液态，两相自由能差值构成结晶

16、驱动力，才有 可能越过临界晶核形核所需的能量势垒，才能形核，所以形核要有一定的过冷度。10、说明为什么异质形核比均质形核容易？影响异质形核的因素？ 因为均质形核在其形核过程中为克服过程中的能障，所需要的过冷度是很大的，而实际金属 凝固过程中的过冷度远小于此，所以较难发生；对异质形核而言，液态金属中存在一些微小 的固相杂质质点，并且液态金属在凝固时还和型壁相接触，于是晶核就可以优先依附于这些 现成的固体表面形核，因此形核所需的过冷度大大降低，所以异质形核比均质形核更容 易。影响异质形核的因素：（1）金属液过冷度的大小：一定范围内，过冷度越大，越促进形核；（2）结晶相的晶格与杂质基底晶格的错配度的

17、大小：错配度越小，越促进形核；（3）杂质表面的形貌和杂质特性的影响；（4）过热度的影响：过热度很大时，固态杂质质点表面状态发生改变或发生熔化，从而阻 碍了异质形核；（5）其他物理因素的影响：如震动和搅动都促进了异质形核。11、固-液界面结构如何影响晶体生长方式和生长速度？ 固-液界面的结构不同，则其接纳液相中迁移过来的原子的能力也不同，从而使晶体生长方 式和生长速度产生差异。根据固-液界面结构的不同，晶体有三种不同的生长机制，每种生 长机制对应的生长速度也不同。（1）粗糙界面的生长，这种长大机制称为连续长大机制。 其晶体长大速度很快，大部分 金属晶体均以这种方式长大。（2）完整平整界面的生长

18、，这种长大机制称为二维晶核长大机制。由于二维晶核长大机制 需要较大的过冷度，而且需要新的二维晶核不断的形成才能使晶核继续长大，因此这种生产 方式的长大速度十分缓慢。（3）非完整平整界面的生长，这种长大机制称为螺型位错生长机制。由于这种因缺陷而产 生的台阶使液相原子容易向上堆砌，而且这些缺陷提供了永远没有穷尽的台阶，因此长大速 度比二维晶核长大速度快的多。12、何为结晶过程中的溶质再分配？平衡分配系数K0定义？ 除纯金属这一特例外，单相合金的结晶过程一般是在一个固液两相共存的温度区间内完成 的。在区间内的任一点，共存两相都具有不同的成分。因此结晶过程必然要导致界面处固、 液两相成分的分离。同时，

19、由于界面处两相成分随着温度的降低而变化，故晶体生长与传 质过程必然相伴而生。这样，从生核开始直到凝固结束，在整个结晶过程中，固、液两相 内部将不断进行着溶质元素重新分布的过程。我们称此为合金结晶过程中溶质再分配。平衡分配系数指在给定的温度T下，平衡固相溶质浓度Cs与液相溶质浓度Cl之比13、成分过冷与热过冷的涵义以及它们之间的区别和联系。 成分过冷的涵义:合金在不平衡凝固时，使液固界面前沿的液相中形成溶质富集层，因富集层中 各处的合金成分不同，具有不同的熔点，造成液固前沿的液相处于不同的过冷状态，这种由于液 固界面前沿合金成分不同造成的过冷。热过冷的涵义:界面液相侧形成的负温度剃度，使得界面前

20、方获得大于 Tk 的过冷度。 成分过冷与热过冷的区别 : 热过冷是由于液体具有较大的过冷度时，在界面向前推移的情况下，结晶潜热的释放而产生 的负温度梯度所形成的。可出现在纯金属或合金的凝固过程中，一般都生成树枝晶。 成分过冷是由溶质富集所产生，只能出现在合金的凝固过程中，其产生的晶体形貌随成分过冷程 度的不同而不同，当过冷程度增大时，固溶体生长方式由无成分过冷时的“平面晶”依次发展为： 胞状晶f柱状树枝晶f内部等轴晶（自由树枝。晶）成分过冷与热过冷的联系: 对于合金凝固，当出现“热过冷”的影响时，必然受“成分过冷”的影响，而且后者往往更 为重要。即使液相一侧不出现负的温度梯度，由于溶质再分配引

21、起界面前沿的溶质富集，从 而导致平衡结晶温度的变化。在负温梯下，合金的情况与纯金属相似，合金固溶体结晶易于 出现树枝晶形貌。14、“成分过冷”对固溶体合金凝固时生长组织形貌有何影响？ “成分过冷”对单相固溶体组织形貌的影响: 随着“成分过冷”程度的增大，固溶体生长方式由无“成分过冷”时的“平面晶”依次发展为：胞 状晶f柱状树枝晶f内部等轴晶（自由树枝晶）“成分过冷”对共晶凝固组织形貌的影响:1）共晶成分的合金，在冷速较快时，不一定能得到100的共晶组织，而是得到亚共晶或过共晶 组织，甚至完全得不到共晶组织；2）有些非共晶成分的合金在冷速较快时反而得1到00的共晶组织；3）有些非共晶成分的合金，

22、在一定的冷速下，既不出1现00的共晶组织，也不出现初晶+共晶 的情况，而是出现“离异共晶。”15、用图解说明出现成分过冷的临界条件，并解释如果是正常凝固会不会出现成分过冷 。当界面前沿液相实际温度梯度小于液相线斜率时，则出现成分过冷-1成分过冷是固溶体合金在凝固过程中不同熔点物质在固相及液相中成分不同的一种过冷 现象，只要是固溶体合金凝固，就会有可能出现。16、如何认识“外生生长”与“内生生长”？由前者向后者转变的前提是什么？仅仅由 成分过冷因素决定吗？“外生生长”: 晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式，称为“外生生长”。 平面生长、胞状生长和柱状树枝晶生长都属于外生生长 .“内生

23、生长”:等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为“内生生长”。如果“成分过冷”在远离界面处大于异质形核所需过冷度（AT异），就会在内部熔体中产 异 生新的晶核，造成“内生生长”，使得自由树枝晶在固-液界面前方的熔体中出现。 外生生长向内生生长的转变的前提是:成分过冷区的进一步加大。决定因素：外生生长向内生生长的转变是由成分过冷的大小和外来质点非均质生核的能力 这两个因素所决定的。大的成分过冷和强生核能力的外来质点都有利于内生生长并促进内部 等轴晶的形成。17、晶粒游离产生的途径.直接来自于过冷熔体内的非均匀生核由型壁晶粒脱落，枝晶熔断和增值所引起的由 液面晶粒沉积所引起的18、等轴晶组织的获得及

24、细化的工艺途径。 获得：通过强化非均匀形核和促进晶粒游离以抑制凝固过程中柱状晶区的形成和发展，就 能获得等轴晶组织细化等轴晶的常用方法：（1）合理的浇注工艺：合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得及 细化等轴晶的有效措施；通过改变浇注方式强化对流对型壁激冷晶的冲刷作用，能有效地 促进细等轴晶的形成；（2）冷却条件的控制：对薄壁铸件，可采用高蓄热、快热传导能力 的铸型；对厚壁铸件，一般采用冷却能力小的铸型以确保等轴晶的形成，再辅以其它晶粒 细化措施以得到满意的效果；（3）孕育处理：影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒。4）动力学细化：铸型振动;超声波振动;液相搅拌;流变铸造，导致枝晶的破碎或与铸型

25、分离，在液相中形成大量结晶核心，达到细化晶粒的目的。19、如何防止孕育剂的孕育衰退现象？ 孕育效果不仅取决于孕育剂的本身，而且也与孕育处理工艺密切相关。一般处理温度越高， 孕育衰退越快，在保证孕育剂均匀散开的前提下，应尽量降低处理温度。孕育剂的粒度也 要根据处理温度、被处理合金液量和具体的处理方法来选择。20、析出性气孔的防止措施。消除气体来源金属熔断时，应严格控制熔断温度对液态金属进行除气处理防止液态金属内气体的析出21、缩松、缩孔的形成机理。结晶温度范围较宽的合金，一般按照体积凝固的方式凝固，凝固区内的小晶体很容易发展 成为发达的树枝晶。当固相达到一定数量形成晶体骨架时，尚未凝固的液态金属

26、便被分割 成一个个互不相通的小熔池。在随后的冷却过程中，小熔池内的液体将发生液态收缩和凝 固收缩，已凝固的金属则发生固态收缩。由于熔池金属的液态收缩和凝固收缩之和大于其 固态收缩，两者之差引起的细小孔洞又得不到外部液体的补充，便在相应部位形成了分散 性的细小缩孔，即缩松。纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围窄的合金，在一般铸造条件下按由表及里逐层凝固 的方式凝固。由于金属或合金在冷却过程中发生的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，从 而在铸件最后凝固的地方产生缩孔。22、热裂纹的形成机理。 热烈是在凝固温度范围内邻近固相线形成的，其形成机理由液膜理论和强度理论 液膜理论：认为热烈形成是由于铸件在凝固

27、末期晶间存在液膜和铸件在凝固过程中受到拉 应力共同作用的结果 强度理论是指当铸件凝固后期，枝晶形成骨架后开始具有固相性质，即开始收缩和具有高 温强度，由于凝固过程中，收缩受阻，铸件中产生应力和变形，当应力或变形超过合金在 该温度下的强度极限或变形能力时，铸件便产生热裂纹 23、铸造应力的产生原因。 金属在凝固和冷却过程中，由于收缩、热作用和相变等因素发生体积变化，当受到外界或 其本身制约，变形受阻后所产生的应力即为铸造应力，其形成原因有热应力：铸件各部 分厚薄不同，由于冷速不同造成同一时刻各部分收缩量不一致，铸件各部分彼此制约产生 应力相变应力：固态相变合金，由于铸件各部分冷却条件不同，达到相

28、变温度的时刻不 同且相变程度也不同而产生应力机械阻碍应力：铸件收缩受到铸型、型芯和型骨等机械 阻碍所产生的应力四、计算题：A-B二元合金原始成分为C = C = 2.5%， Ko = 0.2， m = 5，自左向 0 BL右单向凝固，固相无扩散而液相仅有扩散（D二3X10-5cm2 /s）。达到稳定态凝固时，L求：（1）S-L 界面的 C*S 和 C*L ；（2）S-L界面保持平整界面的条件。解：（1）求固液界面的CS和C；:由于固相中无扩散而液相中仅有限扩散的情况下达到稳定状态时，满足：C*； = K ，C*S= C00代入 C=C=2.5%, K=0.20 B0即可得出:C0 = 2.5%

29、Ko =市=12.5%C* = C = 2.5%S 0（2）固-液界面保持平整界面的条件：当存在“成分过冷”时，随着的“成分过冷”的增大，固溶体生长方式将经历：胞状晶一柱状 树枝晶一内部等轴晶（自由树枝晶的转变过程，所以只有当不发生成分过冷时，-液界面 才可保持平整界面，即需满足肌化（1- %代入m L =5, C0=Cb=25%，DL=3x10-5cm2/s，叮0.2可得出:三 1. 67X104 C/cm2s 即为所求.某二元合金相图如右所示。合金液成分为CB=40%，置于长瓷舟中并从左端开始 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：a相与液相

30、之间的平衡分配系数冷凝固后共晶体的数量 占试棒长度的百分之几？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K0的求解：由于液相线及固相线均为直 线不同温度和浓度下Ko为 定值，所以：如右图，当 T=500 C 时，C*K = Ko= C*L= 30%=60%=0.5K0即为所求a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 C* 二 C f （K0-1）L 0 L代入已知的c;= 60% , K0= 0.5, C0= CB=40%可求出此时的 f L = 44.4由于T=500C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: