第二讲
1、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：以下现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏：（1）物质熔化时体积变化、熵变（及焓变）一般均不大。［注意：简答题此部分可略：如金属熔化时典型的体积变化△Vm／V（多为增大）为3～5％左右，表明液体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）金属熔化潜热比其汽化潜热小得多（1／15～1／30），表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。
2、实际液态金属的结构是怎样的？
实际液态金属和合金由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子集团、空穴所组成，同时也含有各种固态、液态或气态杂质或化合物，而且还表现出能量、结构及浓度三种起伏特征，其结构十分复杂。
3、名词解释：能量起伏、结构起伏、浓度起伏、粘度、运动粘度、雷诺数、层流、紊流、表面张力和表面能。
答：能量起伏：液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为能量起伏
结构起伏: 由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时大时小，此起彼伏的，称为结构起伏
浓度起伏: 对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动瞬息万变，这种现象称为成分起伏
粘度: 流体在层流流动状态下，流体中的所有液层按平行方向运动。在层界面上的质点相对另一层界面上的质点作相对运动时，会产生摩擦阻力。当相距1cm的两个平行液层间产生1cm/s的相对速度时，在界面1cm2面积上产生的摩擦力，称为粘滞系数或粘度运动粘度:液体在重力作用下流动时内摩擦力的量度，数值等于γ=η/ρ。
表面张力:产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。与表面能大小、单位一致，从不同角度描述同一现象。
表面能:表面自由能（简称表面能）为产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。
雷诺数: 流体流动时的惯性力Fg和粘性力(内摩擦力)Fm之比称为雷诺数。用符号Re 表示。Re是一个无因次量。
层流：流体流动时,如果流体质点的轨迹(一般说随初始空间坐标x、y、z和时间t而变)是有规则的光滑曲线（最简单的情形是直线），这种流动叫层流。
紊流：在一定雷诺数下，流体表现在时间和空间上的随机脉动运动，流体中含有大量不同尺度的涡旋(eddy)。
4、分析粘度的影响因素及其对粘度的影响规律。
①温度一般情况下温度提高，液体金属的粘度减小。
②化学成分
杂质的数量、状态和分布情况都能在不同程度上影响到液态金属的粘度。在液态金属中呈固态杂质常使其粘度增加。但有些熔点低的杂质在液态属中呈熔融状态，反而会使该液态金属的粘度降低。酸性钢较碱性钢的粘度小就是因为酸性钢的杂质多是液态的，而碱性钢的杂质常呈粒状固体；共晶成分的合金粘度小；液体金属和合金的粘度与其过热度有关，过热度越大，粘度越小。
5、分析表面张力的影响因素及其对表面张力的影响规律。
（1）表面张力与熔点的关系
熔点越高，或摩尔表面积越大，表面张力越大。因为熔点越高说明金属原子之间的作用
力越大，所以表面张力也越大。
（2）表面张力与温度的关系在高温及低温区，表面张力均随温度的增加而减小，二者几乎成直线关系；对大多数液体金属来说，表面张力与温度呈线性关系。这是因为随着液体金属温度的升高，原子热振动加剧，振幅变大，原子间的距离增加，相互作用减弱，因此表面张力下降。但也有反常情况，例如铜，随着铜熔体温度的升高，表面张力也随着增加（3）表面张力与化学成分的关系
化学成分对表面张力的影响有两种情况，一种是合金元素的加入使液体金属表面张力降低，这种元素对该种金属来说称为液体金属的表面活性物质，具有正吸附作用；另一种是合金元素的加入使液体金属表面张力增加，这种元素对该种金属来说称为液体金属的表面非活性物质，具有负吸附作用。通常正吸附时溶质元素在表面的浓度大于其在内部的浓度，而负吸附时溶质元素在表面的浓度小于其在内部的浓度。
第三讲
1、流动性与充型能力的联系和区别。
答: 区别：①二者概念不同。铸造工艺学中的流动性指液态金属本身的流动能力，常用规定的铸型条件和浇注条件下的试样的长度或薄厚尺寸来衡量；而充型能力是指液态金属充满铸型型腔，并使铸件形状完整、轮廓清晰的能力。②影响因素有区别。流动性是液态金属本身的流动能力，与金属的成分、温度、杂质含量，及其物理性质有关；而充型能力除了取决于金属本身的流动能力外，还受外界条件，如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响。
联系：都是影响成形产品质量的因素。①流动性好的合金充型能力强；流动性差的合金充型能力亦差，但是，可以通过改善外界条件提高其充型能力。②可认为合金的流动性是在确定条件（试样结构、铸型性质、浇注条件）下的充型能力。
2、用同一种合金浇注同一批、同一种铸件，其中有一两件出现“浇不足”缺陷，可能是什么原因造成的？
答：因为是用同一种合金浇注同一批、同一种铸件，所以合金性质、铸件结构相同，但可能由于一两件的铸型温度、浇注温度偏低（后浇的因为温降而温度略低）、或者浇注速度偏高、充型压头小等原因，都会造成“浇不足”缺陷。
3、用螺旋形试样测定合金的流动性时，为了使测得数据稳定和重复性好，应控制那些因素？
答：应控制的因素包括：铸型条件、浇注条件恒定，如铸型温度保持不变，浇注温度、速度、充型压头保持恒定。
4、四类影响充型能力的因素中，哪些是可以控制的，哪些是不可控的，提高浇注温度会带来什么负作用？
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。
第四讲
1、什么是温度场？
空间中一切点的瞬时温度值的集合
2、温度场的研究方法有哪些？
实测法，数学解析法，数值模拟法。
第五讲
1、铸件温度场的影响因素有哪些、各是如何影响的？
金属性质的影响:
(1)金属的热扩散率a
热扩散率大→铸件内部的温度均匀化能力高→温度梯度小，断面温度分布曲线平坦例：
a铝合金＞a铁碳合金→铝合金断面温度分布曲线相对平坦
a普碳钢＞a高合金钢→普碳钢断面温度分布曲线相对平坦
(2)结晶潜热
(3)金属的凝固温度
结晶潜热大→向铸型传热时间长→铸型内表面被加热温度高→温度梯度小→温度场平坦
凝固温度高→铸件表面与中心温差大→温度场梯度高，如：有色合金铸件比铸钢件和铸铁件的温度场平坦
铸型性质的影响:
铸型吸热速度越大→铸件凝固速度越大→温度梯度
(1)铸型蓄热系数b2
b2越大→对铸件冷却能力越强→温度梯度越大
(2)铸型预热温度T型
T型越高→对铸件冷却作用越小→温度梯度越小
熔模铸造，T型＝600～900℃
金属铸造，T型＝200～400℃
浇注条件的影响：
(1)金属过热量远远小于结晶潜热。
(2)砂型铸造中，增加过热度，相当于提高铸型温度，从而减小铸件温度梯度。
(3)金属型铸造中，因铸型导热能力强，而过热量比重很小，能迅速传导出去，故浇注温度影响不很明显。
铸件结构的影响:
(1)铸件壁厚
厚壁铸件比薄壁件含有更多热量，会把铸型加热到更高的温度。铸件越厚，温度梯度越小。
(2)铸件形状
铸型中被液态金属几面包围的突出部分，型芯以及靠近内浇道附近的铸型部分，由于有大量金属液通过，被加热到很高温度，相对应的铸件的温度场较平坦。
2、名词解释：等温面、倾出边界、补缩边界。
等温面：瞬时温度场中温度相同的各点相连构成的面
倾出边界：液固部分与固液部分的边界
称为倾出边界。
补缩边界：固液部分分为两个带，其中，一个带里，晶体虽已连成骨架，但是液体还能在其间移动。另一个带中，晶体连接成牢固的骨架，骨架中的液体（小熔池“）不能互相沟通，凝固体积收缩时，熔池得不到液体的补充。上述两带的边界称为补缩边界。
3、根据凝固区域的宽度不同，凝固方式如何分类？试述各凝固方式的概念、特点。
根据合金固液相区宽度，可将凝固过程分为三种方式：
逐层凝固：合金结晶温度范围很小或断面温度梯度很大时，铸件断面的凝固区域很窄，固液体几乎由一条界线分开，随温度下降，固体层不断加厚，逐步到达铸件中心。
体积／糊状凝固：合金结晶温度范围很宽或断面温度梯度很小时，铸件断面的凝固区域很宽，在凝固的某一段时间内，凝固区域在某时刻贯穿整个铸件断面时，在凝固区域里既有已结晶的晶体也有未凝固的液体。
中间凝固：合金结晶温度范围较窄或断面温度梯度较大时，铸件断面上的凝固区域界于前二者之间。
4、凝固方式如何影响铸件的质量？
凝固方式分为三种：
①逐层凝固方式对铸件质量的影响：流动性好，容易获得健全凝固体，液体补缩好，铸件组织致密，形成集中缩孔的倾向大；热裂倾向小，气孔倾向小，应力大，偏析严重。
②体积凝固方式对铸件质量的影响：流动性差，不容易获得健全的凝固体，液体补缩差，铸件组织不致密，形成集中缩孔的倾向小，热烈倾向大，气孔倾向大，缩松倾向大，应力小，宏观偏析不严重。
③中间凝固方式对铸件质量的影响介于上述二者之间。
第六讲
1、何谓平方根定律和折算厚度法则？试述二者的区别与联系。
平方根定律：凝固层厚度与凝固时间的平方根成正比。
“折算厚度”法则:体积为V1和表面积为S1的铸件，其完全凝固时间t，已由公式给出，将厚度的表达式代入，得
R－铸件的折算厚度。
铸件凝固时间与铸件形状无关，与当量厚度平方成正比。
凝固金属和铸型材料影响凝固时间和凝固速率。
区别：平方根定律是指凝固层厚度与凝固时间的平方根成正比。主要适用于大型平板类、结晶间隔小的合金铸件。折算厚度法则指铸件的凝固时间与其折算厚度的平方成正比。适用于大平板、球和长的圆柱体。
联系：二者均可以计算铸件的凝固时间，且折算厚度法则可以直接从平方根定律导出。由于折算厚度法则考虑了铸件形状这个主要影响因素，所以更加接近实际，是对平方根定律的一个发展。
（补充）用Chvorinov公式计算凝固时间时，误差来源于铸件的形状、铸件结构、热物理参数浇注条件等方面。半径相同的圆柱和球体比较，前者的误差大；大铸件和小铸件比较，后者误差大；金属型和砂型比较，后者误差大，因为后者的热物性参数随温度变化较快。
第七讲
1、试述均质形核与异质形核之间的联系和区别。
均质形核与异质形核是晶体两种不同的形核方式。前者是依靠过冷液相中的结构起伏进行形核的方式，而后者则依靠外来质点进行形核。均质形核需要很大的过冷度和更高的形核功，所以实际金属和合金中很难发生均质形核，而多是异质形核。二者的临界形核半径相同，异质形核形核功△Ghe*与均质形核形核功△Gho*之间有如下关系：△Ghe*＝f(θ) △Gho*，其中，θ为新生固相与基底的夹角。θ＜180°时，为异质形核；θ＝180°时，为均质形核。
2、试推导均质形核临界晶核半径。
懒得打公式。。。书上或者课件上找。。。
3、影响异质形核的因素都有哪些？
形核温度T、形核时间、形核基底的数量、接触角θ、形核基底的形状
4、粗糙界面与光滑界面的生长方式各是怎样的？
粗糙界面：连续长大
光滑界面：侧面长大，分为二维晶核台阶和晶体缺陷台阶
第八讲
1、何谓结晶过程中的溶质再分配？何谓平衡结晶？
结晶过程中的溶质再分配：是指在结晶过程中溶质在液、固两相重新分布的现象。
平衡结晶：在结晶的每个阶段，固、液两相中的成分均能及时、充分扩散均匀，液、固相溶质成分完全达到平衡状态图对应温度的平衡成分。
2、试推导平衡结晶时的溶质再分配公式。
以下为等截面水平圆棒自左向右单向结晶过程分析。
假设：合金原始成分为C0，界面前方为正温度梯度，界面以宏观平面形态向前推进。
结晶开始时，
结晶过程中，
平衡结晶下的溶质再分配规律
第九讲
1、A-B 二元合金原始成分为C0=CB ＝2.5%，k0＝0.2，mL ＝5，自左向右单向凝固，固相无扩散而液相仅有有限扩散（DL=3×10-5cm2/s ），达到稳定态凝固时，求：
（1）固液界面的CS*和CL*；
（2）固液界面保持平整界面的条件。
（1）CS*＝C0＝2.5%，CL* ＝C0／k0＝2.5%/0.2=12.5%
（2）固液界面保持平整界面的条件是成分过冷度△TC 为0，成分过冷区宽度x0为0，即满足条件：
△T C ＝0，x 0＝0
则： 0)1(22200200=-+=R
k mC D G k R D x L L L
可得：
G L /R ＝ 5×2.5%×(1-0.2)/(3×10-5×0.2)
G L /R ＝ 1.67×104
2、根据右式分析有效溶质分配系数的三种情况。 ①KE= K0(KE 最小)：发生在时 ，发生在慢生长速度和最大的搅动或对流情况下，这时δN 很小，相当“液相充分混合均匀”的情况。
②KE=1（KE 最大）：发生在时，即快生长速度凝固、或没有任何对流，δN 很大的情况下，相当于“液相只有有限扩散”的情况。
③K0＜KE ＜1：相当于液相部分混合（对流）的情况，工程实际中常在这一范围。
3、说明成分过冷与热过冷的联系与区别。
热过冷是仅由熔体实际温度分布所决定的过冷状态，成分过冷则是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。二者之间的根本区别是前者仅受传热过程控制，后者则同时受传热过程和传质过程制约。如令成分过冷判别式中的C0=0，则成分过冷判据就变为热过冷判据。因此，在晶体生长中，界面前方的热过冷只不过是成分过冷在C0=0时的一个特例而已，二者本质上是一样的。
成分过冷的本质：由于固液界面前方溶质富集而引起溶质再分配，界面处溶质含量最高，离界面越远，溶质含量越低。由结晶相图可知，固液界面前方理论凝固温度降低，实际温度和理论凝固温度之间就产生了一个附加温度差△T ，即成分过冷度，这也是凝固的动力。
δδL L D R S D R L e k k k C C e k k C C ---+=-+=)1()1(0000*000*
4、何谓成分过冷判据？成分过冷的大小受哪些因素的影响？
“成分过冷”判据为:
当“液相只有有限扩散”时， ，代入上式后得
成分过冷的条件为 v G L <000)
1(k D k C m L L －
成分过冷的范围为 △＝000)1(k D k C m L L －－v G L
上式中，00k C m L 、、为不变量，所以影响成分过冷范围的因素只有DL 、GL 和v 。 对于纯金属和一部分单相合金的凝固，凝固的动力主要是热过冷，成分过冷范围对成形产品没什么大的影响；对于大部分合金的凝固来说，成分过冷范围越宽，得到成型产品性能越好。
( 其中: GL —液相中温度梯度 ，R —晶体生长速度 ，mL —液相线斜率 ，C0 —原始成分浓度 ，DL —液相中溶质扩散系数 ，K0 —平衡分配系数K )
5、根据共晶体两组成相的界面结构，共晶组织分为哪三类？
根据共晶体两组成相的界面结构不同，可将共晶合金分为三类；
1）粗糙－粗糙界面（非小晶面－非小晶面）；
2）粗糙－光滑界面（非小晶面－小晶面）；
3）光滑－光滑界面（小晶面－小晶面），多由不规则化合物组成。
6、根据共晶两相在结晶时的相互关系不同，共晶生长分为哪两种方式？
共生生长和离异生长
第10 、11讲 铸件的宏观组织
1、铸件典型晶粒组织包括哪几部分？
细小等轴晶 柱状晶层 粗大的等轴晶
2、如何在铸件中获得细等轴晶组织？
1）合理的浇注工艺
(1) 合理降低浇注温度，减少柱状晶、获得细化等轴晶；
(2) 设计合理的浇注方式，强化对流对模壁激冷晶的冲刷作用，促进细等轴晶的形成。
2）冷却条件的控制
需控制小的温度梯度和高的冷却速度，但就铸型能力而言，除薄壁铸件外，此二者不可兼得。
(1) 对薄壁铸件，采用高蓄热、传导能力强的铸型细化晶粒；
(2) 对厚壁铸件，采用冷却能力小的铸型以确保等轴晶的形成，同时辅以其他晶粒细化措施。
(3) 采用悬浮铸造法，即在浇注过程中向液态金属中加入一定量的金属粉末，起显微激冷作用，加速液态金属的冷却，促进等轴晶的形成和细化。
3）孕育处理
向液态金属中添加少量物质，以达到细化晶粒、改善宏观组织的目的的工艺方法。
4）动力学细化
采用机械力或电磁力，引起固相和液相的相对运动，导致枝晶的破碎或与铸型分离，在液相中形成大量结晶核心，达到细化晶粒目的。
第12讲砂型铸造
1、试述砂型铸造的特点和应用范围。
1）砂型铸造的特点
①可以制造形状复杂的毛坯或零件；
②加工余量小，金属利用率高；
③适应性强，应用面广，用于制造常用金属及合金的铸铁件；
④铸件的成本低；
⑤铸件的晶粒比较粗大，组织疏松，常存在气孔、夹渣等铸造缺陷，机械性能比锻件差；
⑥铸造生产工序多，铸件质量不够稳定，废品率较高；
⑦铸件表面较粗糙，多用于制造毛坯。
2）适用范围
a、湿型砂（湿型）：单件或批量生产，尤其是大批量生产。广泛用于铝合金、镁合金和铸铁件
b、干砂型（干型）：单件、小批生产品质要求较高，结构复杂的中、大型铸件
c、表面烘干型：单件、小批生产中、大型铝合金铸件和铸铁件
d、自硬砂型：单件或批量生产各类铸件，尤其是大、中型铸件
第13讲特种铸造
1、金属型铸造有何优点？
（1）机加工余量小
（2）冷却速度快，铸件晶粒较细
（3）一型多铸，提高生产率
（4）成本高，不宜大型，形状复杂和薄壁铸件
（5）铸件的精度和表面光洁度比砂型铸件高，而且质量和尺寸稳定
（6）铸件的工艺收得率高，液体金属耗量减少
2、熔模铸造的主要工艺过程包括哪些工序？该方法有何特点？
工序：制蜡膜-浸涂料-撒硅砂-硬化-成型壳-脱蜡-烘干-焙砂加固-浇注-去型壳-带浇冒口铸件-清理得铸件
特点：
（1）铸件精度高，表面质量好，属少，无切削工艺
（2）可铸造形状复杂铸件
（3）铸造合金种类不受限制
（4）生产批量不受限制，可单件或成批生产
（5）工序繁杂，生产周期长，原辅材料费用高，生产成本较高，铸件限于25kg
3、试述压力铸造、低压铸造与差压铸造各自的特点。试分析三者的异同。
（1）压力铸造特点：
1. 精度高
2. 适应形状复杂、轮廓清晰、薄壁深腔铸件；可组合压铸或镶嵌压铸；
3. 生产率高，少切削和零切削
（2）低压铸造特点
1. 浇注压力和速度可调，适应各种铸型、合金和铸件大小；
2. 平稳充型，无飞溅、气体卷入和型壁冲刷，铸件合格率提高；
3. 压力下结晶，组织致密，轮廓清晰，表面光洁，少切削或零切削，机械性能高，对薄壁件铸造尤其有利；
4. 节省补缩冒口，金属利用率高
5. 劳动强度低，劳动条件好，容易数控自动化。
（3）差压铸造工艺特点
1. 可获得最佳充型速度。同时，型腔内有较高的反压力，不容易引起金属液喷射、飞溅，能平稳充型。利于生产质量要求高的大型复杂件。
2. 可调节压差，从而获得轮廓清晰、尺寸精确的铸件。这对于生产薄壁铸件有利。
3. 金属液在压力下结晶凝固，铸件组织致密，力学性能好。
4. 可以实现控制气氛浇注。可以控制金属液和铸型型腔上部气体分压，如能使有害气体分压趋于零，则可生产出有害气体含量非常低的铸件。
（4）相同点：
A、均是在压力作用下的铸造工艺
B、尺寸精度高
C、均对生产薄壁件有利
（5）不同点：
1)压力铸造可组合压铸或镶嵌压铸
2)低压铸造适应各种铸型、合金和铸件大小，节省补缩冒口且容易数控自动化
3)差压铸造可获得最佳充型速度和可实现控制气氛浇注
4、什么是离心铸造？它有何优缺点？它应用在什么场合？
离心铸造是指将熔融金属浇入旋转的铸型中，使液体金属在离心力作用下充填铸型并凝固成形的一种铸造方法。
优点：（1）不用型芯即可铸出中空铸件，简化了套筒、管类铸件的生产过程。
（2）由于旋转时液体金属所产生的离心力作用，离心铸造可提高金属充填铸型的能力，因此一些流动性较差的合金和薄壁铸件都可用离心铸造法生产。
（3）由于离心力的作用，改善了补缩条件，气体和非金属夹杂物也易于自金属液中排出，产生缩孔、缩松、气孔和夹杂等缺陷的几率较小。
（4）无浇注系统和冒口，节约金属。
缺点：
1）内孔的尺寸不精确，质量也较差
2）铸件易产生成分偏析和密度偏析
应用：铸铁管、汽缸套、铜套、双金属轴承、特殊钢的无缝管坯、造纸机滚筒等铸件的生产。
5、什么是实型铸造？该方法有何特点？
又称消失模铸造：采用聚苯乙烯发泡塑料模样代替普通模样，造好型后不取出模样就浇入金属液，在金属液的作用下，塑料模样燃烧、气化、消失，金属液取代原来塑料模所占据的空间位置，冷却凝固后获得所需铸件的铸造方法。又称为无型腔铸造、气化模铸造。
实型铸造特点
（1）由于采用了遇金属液即气化的泡沫塑料模样，无需起模，无分型面，无型芯，因而无飞边毛刺，铸件的尺寸精度和表面粗糙度接近熔模铸造，但尺寸却可大于熔模铸造。（2）各种形状复杂铸件的模样均可采用泡沫塑料模粘合，成形为整体，减少了加工装配
时间，可降低铸件成本，也为铸件结构设计提供充分的自由度。
（3）简化了铸件生产工序，缩短了生产周期，使造型效率比砂型铸造提高2~5倍。
缺点：实型铸造的模样只能使用一次，且泡沫塑料的密度小、强度低，模样易变形，影响铸件尺寸精度。浇铸时模样产生的气体污染环境。
用途：实型铸造主要用于不易起模等复杂铸件的批量及单件生产。
第14、15讲铸造工艺设计
1、为什么球磨铸铁的强度和塑性比灰铸铁高，而铸造性能比灰铸铁差？
①灰铸铁中的片状石墨的强度、硬度极低（Rm≤20MPa），塑性接近于零，因此灰铸铁的组织如同在钢的基体中分布着大量裂纹，同时石墨尖角处容易造成应力集中，容易导致铸件断裂。所以灰铸铁的强度和塑韧性较差。球墨铸铁通过球化处理使石墨呈球状，它对基体的缩减和割裂作用减至最低限度，基体强度的利用率可达70~90%，因此球墨铸铁具有比灰铸铁高得多的力学性能。
②因为灰铸铁的碳当量接近共晶成分，结晶温度范围小，并呈逐层凝固方式结晶，因而其流动性好，铸造性能好；而球墨铸铁的碳当量较高，一般是过共晶成分，结晶温度范围较宽，倾向于糊状凝固，在结晶后期外壳不坚固，不足以承受本身石墨化的膨胀压力，促使型腔扩大，故它比灰铸铁易于产生缩孔、缩松、皮下气孔、夹渣等缺陷，因而铸造性能比灰铸铁差。
2、铸钢与球墨铸铁的力学性能和铸造性能有哪些不同？为什么？
①一般而言，铸钢具有较高的强度与塑韧性，其力学性能比铸铁好。而球墨铸铁中的石墨呈球状，它对基体的缩减和割裂作用减至最低限度，基体强度的利用率可达70~90%，抗拉强度可以和钢媲美（Rm=400-900MPa），塑韧性较好（A=2%~18%）。
②铸钢的铸造性能比球墨铸铁差，因为：其熔点高，钢液易氧化；流动性不好；收缩较大，体收缩率为10~14%，线收缩率为2.2~2.5%。球墨铸铁结晶时由于石墨析出发生体积膨胀而可以抵消部分收缩，使总收缩较小。
3、为什么可锻铸铁只适宜生产薄壁小铸件？壁厚过大易出现什么问题？
可锻铸铁具有较高的力学性能，其碳、硅含量低（WC=2.4~2.8%，WSi=0.4~1.4%），熔点较高，流动性差、收缩大，因为其铸态组织为白口（碳以化合态Fe3C存在），没有石墨化膨胀，极易形成缩孔和缩松缺陷，只适宜生产薄壁小铸件。如果壁厚过大，易产生冷隔、浇不足、缩孔、缩松、裂纹等缺陷。
4、铸造铝合金和铜合金的熔炼工艺特点是什么？各采取什么方法除气？
（1）铸造铝合金的熔炼工艺特点：铝液在高温下极易吸气和氧化，熔炼时关键是除气去杂，以提高铝液的纯净度。氢是铝合金中气体的主要来源。在铝液出炉前要进行精炼。在熔炼铝合金时，为改变其中共晶硅和初晶硅的形貌，提高铸件的力学性能，通常要对其进行变质处理。常用钠或锶（亚共晶铝硅合金和共晶铝硅合金）或者磷（过共晶铝硅合金）作为变质剂。铝合金熔炼一般多用坩埚炉。
铝合金熔炼时，除气的方法是向铝液中通入氯气或加入氯化锌、六氯乙烷等，形成大量Cl2、AlCl3等气泡，使铝液中的氢气扩散到气泡内，在其上浮过程中将铝液中的气体H2即吸附的Al2O3夹杂一起带出液面。
（2）铸造铜合金的熔炼工艺特点：铜合金熔炼时的突出问题也是容易氧化和吸气。熔炼时常采用熔剂（如木炭、碎玻璃、苏打和硼砂等）覆盖在铜合金液面上以隔离空气；一般铜合金熔炼时还需加入0.3~0.6%的磷铜脱氧。铜合金熔炼也可以采用坩埚炉。
铜合金中的气体主要是氢。锡青铜常用吹氮除气法；铝青铜除可用吹氮除气法外，还可加氯盐（ZnCl2）或氯化物（CCl4）除气。对于黄铜，可采用沸腾法除气。
5、各举三种定向凝固与快速凝固工艺。
定向凝固：发热剂法，高速凝固法，水平区域熔化法
快速凝固：枪法，双辊法，喷射成形工艺
第16讲铸件缺陷分类与偏析
1、铸件缺陷分为哪五类？每类各举1～2例。
(1) 孔眼：气孔，缩孔
(2) 裂纹：热裂，冷裂
(3) 表面缺陷：粘砂，夹砂
(4) 形状、尺寸和重量不合格：浇不足，变形
(5) 成分、组织和性能不合格：成分不合格，偏析
2、简述枝晶偏析的形成机理、影响因素、消除措施。影响枝晶间距的主要因素是什么？（1）枝晶偏析机理：结晶时冷速较大，扩散来不及，先结晶富高熔点组元，导致树枝晶内部成分不均匀。
（2）枝晶偏析影响因素：
1）合金相图的形状：垂直、水平距离大偏析严重，垂直
比水平影响更大（结晶温度低扩散慢）2）原子的扩散能力：P比Si扩散能力差，更易偏析
3）凝固时的冷却条件：冷速越大，过冷越大，开始结晶温度越低，扩散能力越小；冷速很大，液相中的扩散也受到抑制，发生无扩散结晶，偏析程度反而减小。
4）合金元素：C促S、P偏析；焊接比铸造偏析程度小，可能与焊接冷速很大，液相中的扩散受到抑制有关
（3）消除枝晶偏析的措施
1)扩散退火或均匀化退火。
2)热轧或热锻也可改善。
（4）影响枝晶间距的主要因素：
1）纯金属的枝晶间距决定于界面处结晶潜热的散失条件，而一般单相合金与潜热的扩散和溶质元素在枝晶间的行为有关。
2）枝晶间距越小，材质的质量越高（因为消除枝晶偏析越容易）。
3、判别宏观偏析的条件是什么？
宏观偏析的条件
只考虑熔体在枝晶间的流动
4、试举出五种常见的宏观偏析并解释之。
1）正常偏析：冷速较慢，低熔点组元充分向内部聚集
2）逆偏析：由于铸件表层枝晶间以及内部的低熔点液体，在液体金属静压力和析出气体压力的作用下，通过树枝晶之间收缩产生的空隙渗出到表面，在表面形成的一种含有较多低熔点组元和杂质的偏析层。
3）V型和逆V型偏析：V型由于等轴晶区晶体下沉而产生
4）带状偏析：铸件中存在固液两相区，液体可沿枝晶间流动。当等温线移动速度变化时，导致铸件局部区域溶质平均成分变化，而产生带状偏析
5）比重偏析：
a.合金凝固之前或刚开始凝固时，固相密度高于液相，初生晶下沉，即所谓的“结晶雨”，从而使铸件上下部分化学成分不同。如：过共晶铸铁石墨上浮，Cu-Pb合金上部富Cu 等。
b.凝固过程中，固液两相区内的液体存在密度差，造成偏析
6）A型偏析：由于柱状晶区的枝晶间区域流动通道凝固而产生
7）V型偏析：由于等轴晶区晶体下沉而产生
8）热顶偏析：由两相区富集溶质的液相发生上浮造成，但仅当两相区液相密度小于液相区时才形成（选A，V，比重，带状和热顶5个分析）
5、试述减轻宏观偏析的措施。
减少液相流动是减轻宏观偏析的主要手段，具体方法如下：
①加大冷却速度，缩短两相区凝固时间，减小液相流动总量。
②细化晶粒和枝晶间距，或者先造成枝晶骨架，增大液相流动阻力。
③保证液相原始成分均匀，使液相内的成分差别减小，从而减小液体流动参数。
④垂直凝固界面（铸锭）的高度不宜过大，以避免过高的流体静压力，从而减少液体流动速度。
第17讲气孔与夹杂
1、铸造合金中的气体主要有哪些、以什么形式存在？
铸造合金中的气体主要是氢、氧、氮及其化合物。
铸造合金中的气体常以下列三种形式存在：
①气体原子溶解在合金中
氢的原子半径很小(0.037nm), 几乎能溶到各种铸造合金中。
氧的原子半径也比较小（仅0.066nm）, 但它是一个极为活泼的元素，能和许多种金属形成化合物，只有氧化性较差的金属及合金能溶入一定量的氧。
氮的原子半径比较大(0.08nm)在铸钢和铸铁中有一定的溶解量，但在铜合金和铝合金中几乎不溶。
②气体与金属中的元素形成化合物
③以分子状态聚集成气泡形式
2、根据气体来源不同，气孔可分为哪几类？其概念各是什么？
析出性气孔：金属液在凝固过程中，因气体溶解度下降析出气体、形成气泡未能排除而形成的气孔，称为析出性气孔。
侵入性气孔：铸型和型芯在液态金属高温作用下产生的气体，侵入金属内部所形成的气孔，称为侵入性气孔。
反应性气孔：液态金属内部或与铸型之间发生化学反应而产生的气孔，称为反应性气孔。
3、简述析出性气孔的形成机理、影响因素与防止途径。
1）形成机理：合金凝固时，气体溶解度急剧下降，由于溶质的再分配，在固液界面前
的液相中气体溶质富集，当其浓度过饱和时，产生很大的析出动力，在现成的衬底上气体析出，形成气泡，保留在铸件中成为析出性气孔。
2）影响因素：
①合金液原始含气量。
②合金成分。
③气体性质。
④外界压力。
⑤铸件凝固方式。
3）防止途径
? 1）减少金属液原始含气量
①减少各种气体来源。
②控制熔炼温度。
③采用真空熔炼。
? 2）对金属液除气处理
①浮游去气。
②真空去气。
③氧化去气。
④冷凝除气。
? 3）阻止气体析出
①提高铸件冷却速度。
②提高金属凝固时的外压。
4、试述减少和排除铸件中夹杂物的措施。
减少和排除夹杂物的途径
（1）正确选择合金成分，控制易氧化元素含量。
（2）加溶剂。
（3）采用复合脱氧剂。
（4）在真空或保护气氛下熔炼和浇注。
（5）尽可能保证充型平稳。
（6）过滤法。
（7）减少铸型的氧化气氛。
第18讲收缩
1、什么是铸造合金的收缩？合金液收缩过程分为哪些阶段？各有何特点？
收缩是指铸件在液态、凝固态和固态的冷却过程中所发生的体积减小现象。收缩分为液态收缩、凝固收缩和固态收缩。液态收缩阶段，液态金属从浇注温度降至液相线温度，金属处于液态，体积的缩小仅表现为型腔内的液面的降低。凝固收缩阶段，合金的收缩与状态改变时的体积变化（纯金属和共晶合金）和结晶温度范围（有结晶温度范围的合金）有关。固态收缩阶段，铸件温度由固相线温度降至室温，铸件各个方向上都表现出线尺寸的缩小。因此，这个阶段对铸件的形状和尺寸的精度影响最大。
2、试解释缩孔、集中性缩孔和缩松。
缩孔：铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩而在铸件最后凝固的部位出现的孔洞。
集中缩孔：容积大而集中的孔洞，称为集中缩孔，简称缩孔。
缩松：容积细小而分散的孔洞称为分散性缩孔，简称缩松。
3、简述缩孔和缩松的形成机理、原因和条件。（课件上老师的补充）
形成机理：由于合金的液态收缩和凝固收缩超过硬壳的固态收缩，液面与硬壳顶端脱离，产生孔洞。
产生集中缩孔的基本原因：合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值；
产生集中缩孔的条件：铸件由表及里地逐层凝固。
缩松：糊状凝固-糊状区，凝固共存-液体流动困难-晶间树枝间得不到补充-分散的小缩孔
缩松形成的基本原因：合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值；
缩松形成的基本条件：合金的结晶温度范围较宽，倾向于糊状凝固方式；或在缩松区域内铸件断面的温度梯度小，凝固区域较宽，合金液几乎同时凝固。
第19讲铸造应力、铸件的变形、冷裂与热裂
1、试从铸造合金、铸型条件及浇注工艺方面阐述防止或减小铸造应力和变形的措施。
①尽量选用线收缩率小、弹性模量小的合金。
②铸型方面，尽量使铸件在冷却过程中温度分布均匀。如采用同时凝固的工艺，采用退让性好的型砂、芯砂等。
③合理设置浇冒口，缓慢冷却，以减小铸件各部分温差和使阻力最小。
④合理设计铸件结构。在设计铸件时，避免产生较大的应力和应力集中，尽可能减小壁厚差，厚薄壁连接处合理过渡，使热结小而分散等。
⑤若铸件已存在残余应力，可采用人工时效、自然时效或振动时效等方法消除。
2、试述液膜理论与强度理论，并分析二者的内在联系。
液膜理论：热裂纹的形成是由于铸件在凝固末期晶间存在液膜和铸件在凝固过程中受拉应力共同作用的结果。液膜是产生热裂纹的根本原因，而铸件收缩受阻是产生热裂纹的必要条件。
强度理论：该理论认为，合金存在热脆区和在热脆区内合金的断裂应变低是产生热裂纹的重要原因，而铸件的集中变形是产生热裂纹的必要条件。热脆区的上限是枝晶彼此相连构成连续骨架的温度，下限则在固相线附近。
华中科技大学博士研究生入学考试 《先进材料成形技术与理论》考试大纲 一、《先进材料成形技术及理论》课程概述 编号：MB11001 学时数：40 学分：2.5 教学方式：讲课30、研讨6、实验参观4 二、教学目的与要求： 材料的种类繁多，其加工方法各异，近年来随同科学技术的发展，新材料、材料加工新技术不断出现。本课程将概述材料的分类及其加工方法的选择；重点介绍液态金属精密成形、金属材料塑性精确成形及金属连接成形等研究与应用领域的新技术、新理论；阐述材料加工中的共性与一体化技术。本课程作为材料加工工程专业的学位课，将使研究生对材料加工的新技术与新理论有个全面的了解，引导研究生在大材料学科领域进行思考与分析，为从事材料加工工程技术的研究与发展奠定基础。 三、课程内容： 第一章材料的分类及其加工方法概述 1.1材料的分类及加工方法概述 1.2材料加工方法的选择（不同材料）及不同加工方法的精度比较（同一种材料） 1.3材料加工中的共性（与一体化）技术 1.4材料加工技术的发展趋势 第二章液态金属精密成形理论及应用 2.1 材料液态成形的范畴及概述 2.2 消失模精密铸造原理及应用(原理、关键技术、应用实例、缺陷与防治) 2.3 Corsworth Process新技术(精密砂型铸造：锆英（砂）树脂砂型、电磁浇注、热法旧砂再生) 2.4 半固态铸造成形原理与技术（流变铸造、触变成形、注射成形） 2.5 铝、镁合金的精确成形技术（金属型铸造、压铸、反重力精密铸造、精密熔模铸造等） 2.6 特殊凝固技术（快速凝固、定向凝固、振动凝固） 2.7 金属零件的数字化铸造（铸件三维造型、工艺模拟及优化、样品铸件快速铸造、工业化生产及 其设计） 2.8 高密度粘土砂紧实机理及其成形技术（高压造型、气冲造型、静压造型） 第三章金属材料塑性精密成形工艺及理论 3.1 金属塑性成形种类与概述 3.2金属材料的超塑性及超塑成形（概念、条件、成形工艺） 3.3 复杂零件精密模锻及复杂管件的精密成形（精密模锻、复杂管件成形） 3.4 板料精密成形（精密冲裁、液压胀形、其它板料精密成型） 3.5 板料数字化成形（点（锤）渐进成形、线渐进（快速）成形、无模（面、液压缸作顶模）成形）
液态金属成型原理 一、简述普通金属材料特点及熔配工艺 1 普通金属材料的特点 1.1铸铁材料 铸铁是含碳量大于2.11%或者组织中具有共晶组织的铁碳合金，其成分范围为：2.4%~ 4.0%C，0.6%~3.0%Si，0.2%~1.2%Mn，0.1%~1.2%P，0.08%~0.15%S。依据碳在铸铁中的形态可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁及麻口铸铁，其中灰口铸铁依据石墨形态的不同分为普通灰铸铁、蠕虫状石墨铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。 （1）白口铸铁 白口铸铁中的碳少量溶于铁素体，大部分以碳化物的形式存在于铸铁中，断口呈银白色。白口铸铁硬而脆，很难加工。我们可以利用它的硬度高和抗磨性好的特点制造一些高耐磨的零件和工具。 （2）灰铸铁 碳主要结晶成片状石墨存在于铸铁中，断口为暗灰色。灰口铸铁不能承受加工变形，但是却具有特别优良的铸造性能，同时切削加工性能也很好，低熔点、良好的流动性和填充性以及小的凝固收缩。 （3）麻口铸铁 麻口铸铁具有灰口和白口的混合组织，断口呈灰白交错。麻口铸铁不利于机械加工，也无特殊优异的使用性能。 （4）可锻铸铁 可锻铸铁是由白口铸铁经过石墨化退火后制成的。具有较高的强度、塑性和韧性，与球墨铸铁相比具有质量稳定、处理铁水简便以及易于组织流水线生产等优点，适用于形状复杂薄壁小件的大批量生产。 （5）球墨铸铁 球墨铸铁中的碳主要以球状石墨形态存在于铸铁中。球墨铸铁具有比灰口铸铁高得多的强度、塑性和韧性，同时仍保持着灰口铸铁所具有的耐磨、消震、易切削加工、容易铸造等一系列优异性能。 1.2 铸钢材料 铸钢具有良好的综合机械性能和物理化学性能，比铸铁具有更高的强度、塑性和良好的焊接性。按化学成分可以分为碳素钢和合金钢，其中碳素钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。（1）低碳钢 低碳钢的含碳量小于0.20%，它的塑性和韧性较高，但是强度较低，通常要经过渗碳后进行淬火、回火处理来提高强度和耐磨性。低碳钢的铸造性能差，熔点高，钢液流动性差，
开放实验指导书大纲 实验名称: 工程材料液态成型 引言 什么是液态成型 金属的液态成型常称为铸造，铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。 图-1 铸造示意图 一、实验目的 1．了解铸造的概念及基本原理； 2．了解并掌握铸造的基本工艺及其主要的工艺参数； 3．了解并掌握铸造过程中金属从液态到固态转变过程中影响金属性能和铸件质量的一些基本因素； 4．了解金属收缩的基本规律，以及常见铸造缺陷缩的形成机理，及其影响因素。
二、实验原理 1.铸造的定义 铸造过程是指将金属置于熔炼炉内的坩埚中, 加热熔炼成符合一定要求的液体并浇铸到锭模或铸模中，经冷却凝固, 液态金属转变成固态金属, 清整处理后获得一定形状、尺寸的铸件或铸件的工艺过程。铸造毛胚因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上减少了时间．铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一. 铸造工艺可分为三个基本部分，即铸造金属准备、铸型准备和铸件处理。铸造金属是指铸造生产中用于浇注铸件的金属材料，它是以一种金属元素为主要成分，并加入其他金属或非金属元素而组成的合金，习惯上称为铸造合金，主要有铸铁、铸钢和铸造有色合金。 2.铸造的分类 铸造种类很多，按造型方法习惯上分为：①普通砂型铸造，包括湿砂型、干砂型和化学硬化砂型3类。②特种铸造，按造型材料又可分为以天然矿产砂石为主要造型材料的特种铸造（如熔模铸造、泥型铸造、铸造车间壳型铸造、负压铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等）和以金属为主要铸型材料的特种铸造（如金属型铸造、压力铸造、连续铸造、低压铸造、离心铸造等）两类。 2.1 普通砂型铸造 以型砂和芯砂为造型材料制成铸型，液态金属在重力下充填铸型来生产铸件的铸造方法。钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。 图-2 砂型铸造示意图
第二讲 1、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：以下现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏：（1）物质熔化时体积变化、熵变（及焓变）一般均不大。［注意：简答题此部分可略：如金属熔化时典型的体积变化△Vm／V（多为增大）为3～5％左右，表明液体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）金属熔化潜热比其汽化潜热小得多（1／15～1／30），表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。 2、实际液态金属的结构是怎样的？ 实际液态金属和合金由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子集团、空穴所组成，同时也含有各种固态、液态或气态杂质或化合物，而且还表现出能量、结构及浓度三种起伏特征，其结构十分复杂。 3、名词解释：能量起伏、结构起伏、浓度起伏、粘度、运动粘度、雷诺数、层流、紊流、表面张力和表面能。 答：能量起伏：液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为能量起伏 结构起伏: 由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时大时小，此起彼伏的，称为结构起伏 浓度起伏: 对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动瞬息万变，这种现象称为成分起伏 粘度: 流体在层流流动状态下，流体中的所有液层按平行方向运动。在层界面上的质点相对另一层界面上的质点作相对运动时，会产生摩擦阻力。当相距1cm的两个平行液层间产生1cm/s的相对速度时，在界面1cm2面积上产生的摩擦力，称为粘滞系数或粘度运动粘度:液体在重力作用下流动时内摩擦力的量度，数值等于γ=η/ρ。 表面张力:产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。与表面能大小、单位一致，从不同角度描述同一现象。 表面能:表面自由能（简称表面能）为产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。 雷诺数: 流体流动时的惯性力Fg和粘性力(内摩擦力)Fm之比称为雷诺数。用符号Re 表示。Re是一个无因次量。 层流：流体流动时,如果流体质点的轨迹(一般说随初始空间坐标x、y、z和时间t而变)是有规则的光滑曲线（最简单的情形是直线），这种流动叫层流。 紊流：在一定雷诺数下，流体表现在时间和空间上的随机脉动运动，流体中含有大量不同尺度的涡旋(eddy)。 4、分析粘度的影响因素及其对粘度的影响规律。 ①温度一般情况下温度提高，液体金属的粘度减小。 ②化学成分 杂质的数量、状态和分布情况都能在不同程度上影响到液态金属的粘度。在液态金属中呈固态杂质常使其粘度增加。但有些熔点低的杂质在液态属中呈熔融状态，反而会使该液态金属的粘度降低。酸性钢较碱性钢的粘度小就是因为酸性钢的杂质多是液态的，而碱性钢的杂质常呈粒状固体；共晶成分的合金粘度小；液体金属和合金的粘度与其过热度有关，过热度越大，粘度越小。 5、分析表面张力的影响因素及其对表面张力的影响规律。 （1）表面张力与熔点的关系 熔点越高，或摩尔表面积越大，表面张力越大。因为熔点越高说明金属原子之间的作用
一、名词解释。 过冷度：金属的理论结晶温度和实际结晶温度的差值 均质形核：在没有任何外来的均匀熔体中的形核过程 异质形核：在不均匀的熔体中依靠外来杂质或者型壁面提供的衬底进行形核的过程 异质形核速率的大小和两方面有关，一方面是过冷度的大小，过冷度越大形核速率越快。二是和界面有关界面和夹杂物的特性形态和数量来决定，如果夹杂物的基底和晶核润湿，那么形核速率大。 形核速率：在单位时间单位体积内生成固相核心的数目 液态成型：将液态金属浇入铸型之，凝固后获得具有一定形状和性能的铸件或者铸锭的方法 复合材料：有两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质复合组成一种多相固体 定向凝固：使金属或者合金在熔体中定向生长晶体的方法 溶质再分配系数：凝固过程当中，固相侧溶质质量分数和液相侧溶质质量分数的比值 流动性是确定条件下的充型能力，液态金属本身的流动能力叫做流动性 液态金属的充型能力是指液态金属充满铸型型腔获得完整轮廓清晰的铸件能力 影响充型能力的因素：（1）金属本身的因素包括金属的密度、金属的比热容、金属的结晶潜热、金属的粘度、金属的表面张力、金属的热
导率金属的结晶特点。（2）铸型方面的因素包括铸型的蓄热系数、铸型的温度、铸型的密度、铸型的比热容、铸型的涂料层、铸型的透气性和发气性、铸件的折算厚度（3）浇注方面的因素包括液态金属的浇注温度、液态金属的静压头、浇注系统中的压头总损失和 影响液态金属凝固过程的因素：主要因素是化学成分冷却速度是影响凝固过程的主要工艺因素液态合金的结构和性质以及冶金处理（孕育处理、变质处理、微合金化）等对液态金属的凝固也有重要影响 液态金属凝固过程当中的液体流动主要包括自然对流和强迫对流，自然对流是由于密度差和凝固收缩引起的流动，由密度差引起的对流成为浮力流。凝固过程中由传热。传质和溶质再分配引起液态合金密度的不均匀，密度小的液相上浮，密度大的下沉，称为双扩散对流，凝固以及收缩引起的对流主要主要产生在枝晶之间，强迫对流是由液体受到各种方式的驱动力产生的对流，例如压力头。机械搅动、铸型震动、外加磁场。 铸件的凝固方式：层状凝固方式（动态凝固曲线之间的距离很小的时候）、体积凝固方式（动态凝固曲线之间的距离很大的时候）、中间凝固方式（介于中间情况的时候）、 影响铸件凝固方式的因素有二：一是合金的化学成分，二是铸件断面上的温度梯度。 热力学能障动力学能障：热力学能障是右被迫处于高自由能过度状态下的界面原子产生的他能直接影响系统自由能的大小，动力学能障是由于金属原子穿越界面过程引起的，他与驱动力的大小无关，而仅仅
液态金属行业研究报告 第一节液态金属材料简述 1.1液态金属的定义 液态金属即非晶材料，是一种长程无序（短程有序）、亚稳态（一定温度晶化）、一定程度上的物理特性各向同性的金属材料，具有固态、金属、玻璃的特性，又称金属玻璃，具有高强度、高硬度、塑性、热传导和耐磨性等。 图1-1 液态金属具有长程无序结构
1.2 液态金属的特点 液态金属兼有玻璃、金属、固体和液体的特性，是一类全新性的 高性能金属材料，具备很多不同于传统玻璃材料的独特的性质。 非晶材料具有高强度、高比强度、高硬度和高弹性形变等优点
Liquidmetal在表面光洁度上远远高于镁、铝、钛、钢等金属。1)是迄今为止最强的金属材料（屈服强度和断裂韧性最高）和最软的（屈服强度最低）金属材料之一； 2) 具有接近陶瓷的硬度，却又能在一定温度下能像橡皮泥一样的柔软，像液体那样流动（超塑性），所以它又是最理想的微、纳米加工材料之一； 3) 液态金属的强度（1900Mpa）是不锈钢或钛的两倍，易塑形堪比塑料，兼具了钢铁和塑料的优势，可以塑性加工。
工艺余成本优势 优势 劣势 加工工艺 1.相对于一般的高强度合金制备，它具有净成形（Net-ShapeCasting ）的特点，可以避免繁琐的后期机加工。 复合材料熔点较低，不适合用于高温环境，比如蒸汽 机引擎部件等。 2.目前的制备的液态金属通常很薄，一般的锆-钛非晶合 金只有 2.5cm 厚度，暂时不适用于大型的结构部件 热敏塑性，可以用模具塑型，既简单又经济，而且精度高 非晶合金的复合材料熔点低，避免了高温对复合成分中的金属性质造成损害 无氧环境下成型，具有钝面的表面光洁度 成本 基本上是一次净成型，且表面光洁度高，省却大量的后加工；效率非常高，以宜安 科技自制的压铸设备为例，每台机可以实 现压铸600次/天，相比于CNC 加工数个小 时加工一件的效率相比，成本优势相当显 著，大约能降低一半的成本。 1.3 液态发展历程 第二节 液态金属的制备方法
一、填空 1、聚合物具有一些特有的加工性质，如有良好的__可模塑性__，__可挤压性__，__可纺性__和__可延性__。 2、__熔融指数__是评价聚合物材料的可挤压性的指标。 3、分别写出下列缩写对应的中文：PS: 聚苯乙烯, PMMA: 聚甲基丙烯酸甲酯, PE:聚乙烯, PP:聚丙烯, PVC 聚氯乙烯, PC 聚碳酸酯, SBS: 苯乙烯丁二烯苯乙烯共聚物, PA: 聚酰胺,POM 聚甲醛 4、按照经典的粘弹性理论，线形聚合物的总形变由普弹性变、推迟高弹形变、粘弹性变三部分组成。 5、晶核形成的方法：均相成核、异相成核。 6、单螺杆挤出机的基本结构：传动部分、加料装置、料筒、螺杆、机头和口模、辅助设备。 7、生胶按物理性状通常分为捆包胶、颗粒胶、粉末胶、乳胶和液体胶。 1.聚合物加工转变包括：（形状转变）、（结构转变）、（性能转变）。 2.写出熔融指数测量仪结构示意图各个结构的名称：（热电偶测温管）、（料筒）、（出料孔）、（保温层）、（加 热器）、（柱塞）、（重锤）。 3.按照塑料塑化方式的不同，挤出工艺可分为（干法）和（湿法）二种；按照加压方式的不同，挤出工艺 又可分为（连续式）和（间歇式）两种。 4.填充剂按用途可分为两大类：（补强填充剂）、（惰性填充剂）。 5.测硫化程度的硫化仪：（转子旋转振荡式硫化仪）。 6.合成纤维纺聚合物的加工方法：（熔融法）和（溶液法）。 2 、聚合物流动过程最常见的弹性行为是：端末效应和不稳定流动。 3、注射过程包括加料、塑化、注射、冷却和脱模五大过程。 5、开放式炼胶机混炼通常胶料顺序：生胶（或塑炼胶）、小料、液体软化剂、补强剂、填充剂、硫黄 6、常用的硫化介质有：饱和蒸汽、过热蒸汽、过热水、热空气以及热水。 7、螺杆结构的主要参数：t、W、h分别指的是螺距、螺槽宽度、螺槽深度。 1、非牛顿流体受到外力作用时，其流动行为有以下特征：（剪应力）和（剪切速率）间通常不呈比例关系，因而剪切粘度对剪切作用有依赖性；非牛顿性是(粘性)和(弹性)行为的综合，流动过程中包含着不可逆形变和可逆形变两种成分。 2、制造泡沫塑料的发泡方法可分为（机械发泡）、（物理发泡）、（化学发泡）三种。 3、聚合物的粘弹性行为与加工温度T有密切关系，当T>Tf时，主要发生(粘性形变)，也有弹性效应，当Tg 一、名词解释 1 表面张力—表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均匀所致。 2 粘度－表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。或作用于液体表面的应力τ大小与垂直于该平面方向上的速度梯度dvx/dvy的比例系数。 3 表面自由能(表面能)－为产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。 4 液态金属的充型能力－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，即液态金属充填铸型的能力。 5 液态金属的流动性－是液态金属的工艺性能之一，与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。 6 铸型的蓄热系数－表示铸型从液态金属吸取并储存在本身中热量的能力。 7 不稳定温度场－温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场 稳定温度场－不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函数）： 8 温度梯度—是指温度随距离的变化率。或沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率。 9 溶质平衡分配系数K0—特定温度T*下固相合金成分浓度CS*与液相合金成分CL*达到平衡时的比值。 10 均质形核和异质形核－均质形核(Homogeneous nucleation) ：形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从液相自身发生形核的过程，亦称“自发形核”。非均质形核(Hetergeneous nucleation) ：依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生核过程，亦称“异质形核”。 11、粗糙界面和光滑界面－从原子尺度上来看，固－液界面固相一侧的点阵位置只有50％左右被固相原子所占据，从而形成一个坑坑洼洼凹凸不平的界面层。粗糙界面在有些文献中也称为“非小晶面”。 第一篇金属的铸造成形工艺 第一章铸造成形工艺理论基础 §1-1 概述 金属液态成形工艺——铸造、液态冲压、液态模锻等 铸造（最广泛）——将液态合金浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸型空腔中，使其冷却凝固，得到毛坯或零件的成形工艺（生产方法）。 一、特点 1．能制成形状复杂、特别是具有复杂内腔的毛坯： 如：阀体、泵体、叶轮、螺旋浆等 2．铸件的大小几乎不受限制，重量从几克到几百吨 3．常用的原材料来源广泛，价格低廉，成本较低，其应用及其广泛 （如：机床、内燃机中铸件70~80%，农业机械40~70%） 但铸造生产过程较复杂，废品率一般较高，易出现浇不足，缩孔，夹渣、气孔、裂纹等缺陷。 二、分类 铸造 砂型铸造——90%以上，成本低 特种铸造——熔模、金属型、压力、低压、离心 质量、生产率高，成本也高 §1-2 铸造的工艺性能 工艺性能——符合某种生产工艺要求所需要的性能 铸造性能——合金的流动性、收缩性、吸气性、偏析等 一、合金的流动性 1．概念 指液态合金本身的流动能力，它是合金主要的铸造性能，流动性愈强，愈便于浇铸出轮廓清晰、薄而复杂的铸件。 同时，有利于非金属夹杂物和气体的上浮与排除，还有利于对合金冷凝过程所产生的收缩进行补缩。 流动性不好——浇不足、冷隔 [注]：流动性的测定——“螺旋形试样”（图1-1） 流动性愈好，浇出的试样愈长 灰铸铁、硅黄铜最好，铝合金次之，铸钢最差 2．影响合金流动性的因素 ①化学成分 共晶成分合金的结晶是在恒温下进行的，此时，液态合金从表层逐层向中心凝固，由于已结晶的固体层内表面比较光滑（图1-3a）对金属液的阻力较小。同时，共晶成分合金的凝固温度最低（铁碳合金状态图）。 相对说来，合金的过热度（浇注温度与合金熔点之温差）大，推迟了合金的凝固，故共晶成分合金的流动性最好。 除纯金属外，其它成分合金是在一定温度范围的逐步凝固，即经过液、固并存的两相区。此时，结晶是在截面上的一定宽度的凝固区内同时进行的，由于初生的“树枝状”晶体，使已结晶固体层的表面粗糙（图1-3b）所以，合金的流动性变差。 共晶生铁，流动性好。 [注]：降低金属液粘度——提高流动性 如加P—铸铁凝固温度、粘度↓→流动性好 但引起冷脆性（性能要求不高的小件） S→MnS→内摩擦（粘度↑）→流动性↓ ②浇注条件 浇注温度——温度↑→粘度↓过热度↑，保持液态时间长→流动性好，但过高→收缩增大，吸气增多，氧化严重→缩孔、缩松、气孔、粘砂等 控制浇注温度：灰铸铁：1200~1380℃ 铸铜：1520~1620℃ 铝合金：680~780℃ 浇注压力——压力愈大，流动性愈好 增加直浇口高度或采用压力铸造、离心铸造 ③铸型充填条件 铸型的蓄热能力——铸型材料的导热系数和比热愈大，对液态合金的“激冷” 能力愈强，流动性差。如：金属型比砂型铸造更容易产生浇不足等缺陷。 铸型中气体——在金属液的热作用下，型腔中气体膨胀，腔中气体压力增大——流动性差（阻力大） 改善措施：使型砂具有良好的透气性，远离浇口最高部位开设气口。 二、合金的收缩性 北京科技大学液态成形理论 与工艺复习题 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII 作业1 1、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？ 以下现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏：（1）物质熔化时体积变化、熵变（及焓变）一般均不大。［注意：简答题此部分可略：如金属熔化时典型的体积变化△Vm／V（多为增大）为3～5％左右，表明液体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）金属熔化潜热比其汽化潜热小得多（1／15～1／30），表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。 2、实际液态金属的结构是怎样的？ 实际液态金属和合金由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子集团、空穴所组成，同时也含有各种固态、液态或气态杂质或化合物，而且还表现出能量、结构及浓度三种起伏特征，其结构十分复杂。 1.过冷度对液固态转变单位体积自由能变化的作用，对均质形核临界形核半径、临界形核功、形核速率有何影响；PPT20之前 2.试推导均质形核临界晶核半径;PPT16 17 3.试推导液固相转变单位体积自由能变化:PPT12 4.影响异质形核的因素： 形核温度T：合金成分一定，过冷度大于某一值时，T↓，形核速率υ↑。 形核时间：满足形核条件时，形核时间↑，形成晶核的数量n↑。 形核基底的数量：其他条件一定时，形核基底数量↑，形成晶核的数量n↑ 接触角θ：接触角θ↓，形核速率υ↑。 形核基底的形状：形核基底界面为凹面时，临界晶核体积最小，形核功也最 小，最易形核。 5.促进形核、抑制形核的措施及其应用举例 促进形核：增大冷却速率；T；晶粒细化剂，异质形核；机械、超声振动，电磁搅拌，枝晶破碎。抑制形核：快冷，非晶；去除固相质点；悬浮熔炼或熔融玻璃隔离，避免坩埚表面成为异质形核的基体。 6.粗糙界面与光滑界面的生长方式 粗糙界面（金属）：连续长大光滑界面（非金属、亚金属）：侧面长大（二维晶核台阶、晶体缺陷台阶） 连续生长：粗糙面的界面结构，有许多位置可供原子着落，液相扩散来的原子很容易被接纳并与晶体连接起来，且在生长过程中仍可维持粗糙界面结构。只要原子供应不成问题，就可以不断地进行“连续生长”。 侧面生长：光滑面的界面结构，单个原子与晶面的结合较弱，容易跑走，因此，只有依靠在界面上出现台阶，然后从液相扩散来的原子沉积在台阶边缘，依靠台阶向侧面生长，故称为“侧面生长”。 作业2（少很多看PPT） 3、随着凝固速度的增加，定向凝固组织的变化规律 材料成型工艺基础（第三版）部分课后习题答案第一章 ⑵.合金流动性决定于那些因素？合金流动性不好对铸件品质有何影响？ 答：①合金的流动性是指合金本身在液态下的流动能力。决定于合金的化学成分、结晶特性、粘度、凝固温度范围、浇注温度、浇注压力、金属型导热能力。 ②合金流动性不好铸件易产生浇不到、冷隔等缺陷，也是引起铸件气孔、夹渣、縮孔缺陷的间接原因。 ⑷.何谓合金的收縮？影响合金收縮的因素有哪些？ 答：①合金在浇注、凝固直至冷却至室温的过程中体积和尺寸縮减的现象，称为收縮。 ②影响合金收縮的因素：化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件。 ⑹.何谓同时凝固原则和定向凝固原则？试对下图所示铸件设计浇注系统和冒口及冷铁，使其实现定向凝固。 答：①同时凝固原则：将内浇道开在薄壁处，在远离浇道的厚壁处出放置冷铁，薄壁处因被高温金属液加热而凝固缓慢，厚壁出则因被冷铁激冷而凝固加快，从而达到同时凝固。 ②定向凝固原则：在铸件可能出现縮孔的厚大部位安放冒口，使铸件远离冒口的部位最先凝固，靠近冒口的部位后凝固，冒口本身最后凝固。 第二章 ⑴ .试从石墨的存在和影响分析灰铸铁的力学性能和其他性能特征。 答：石墨在灰铸铁中以片状形式存在，易引起应力集中。石墨数量越多，形态愈粗大、分布愈不均匀，对金属基体的割裂就愈严重。灰铸铁的抗拉强度低、塑性差，但有良好的吸震性、减摩性和低的缺口敏感性，且易于铸造和切削加工。石墨化不充分易产生白 口，铸铁硬、脆，难以切削加工；石墨化过分，则形成粗大的石墨，铸铁的力学性能降低。 ⑵.影响铸铁中石墨化过程的主要因素是什么？相同化学成分的铸铁件的力学性能是否 相同？ 答：①主要因素：化学成分和冷却速度。 ②铸铁件的化学成分相同时铸铁的壁厚不同，其组织和性能也不同。在厚壁处冷却速度较慢，铸件易获得铁素体基体和粗大的石墨片，力学性能较差；而在薄壁处，冷却速度较快，铸件易获得硬而脆的白口组织或麻口组织。 ⑸.什么是孕育铸铁？它与普通灰铸铁有何区别？如何获得孕育铸铁？ 答：①经孕育处理后的灰铸铁称为孕育铸铁。 ②孕育铸铁的强度、硬度显著提高，冷却速度对其组织和性能的影响小，因此铸件上厚大截面的性能较均匀；但铸铁塑性、韧性仍然很低。 ③原理：先熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳、硅含量的高温铁液，然后向铁液中冲入少量细状或粉末状的孕育剂，孕育剂在铁液中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化骤然增强，从而得到细化晶粒珠光体和分布均匀的细片状石墨组织。 ⑻.为什么普通灰铸铁热处理效果不如球墨铸铁好？普通灰铸铁常用的热处理方法有哪 些？其目的是什么？ 答：①普通灰铸铁组织中粗大的石墨片对基体的破坏作用不能依靠热处理来消除或改进；而球墨铸铁的热处理可以改善其金属基体，以获得所需的组织和性能，故球墨铸铁性能好。 ②普通灰铸铁常用的热处理方法：时效处理，目的是消除内应力，防止加工后变形；软化退火，目的是消除白口、降低硬度、改善切削加工性能。 《成型技术基础》作业 班级__2017秋____ 姓名__尹佩仪_____ 一、判断题 1.缩松是铸件的气孔。（×） 2.自由锻是一种不用任何辅助工具的可以锻造任何形状的零件的锻造方法。 （×） 3.铸造是指将液态合金浇注到具有与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待 冷却凝固后获得毛坯或零件的生产方法。（√）4.铸件在冷却凝固过程中由于体积收缩得不到补充而在最后凝固部位形成的 倒圆锥形孔洞称为缩孔。（√） 5.低碳钢的强度、硬度低，但具有良好的塑性、韧性及焊接性能。（√） 6.塑性是金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力。（√） 7.可锻铸铁比灰铸铁的塑性好，因此可以进行锻压加工。（√） 8.随塑性变形程度的增大，金属强度和硬度上升而塑性和韧性下降的现象称为 加工硬化。（√） 9.板料冲压是利用冲模使液态金属成型的加工方法。（×） 10.“同时凝固”这种工艺措施可以有效的防止应力、变形和缩孔缺陷。（×） 11.普通钢和优质钢是按其强度等级来区分的。（×） 12.金属的塑性变形主要通过位错的滑移进行。（√） 13.金属的晶粒越细小，其强度越高，但韧性变差。（×） 14.弹簧钢的最终热处理应是淬火+低温回火。（×） 15.奥氏体的塑性比铁素体的高。（√） 16.钢的含碳量越高，其焊接性能越好。（×） 17.锻造加热时过烧的锻件可用热处理来改正。（×） 18.给铸件设置冒口的目的是为了排出多余的铁水。（×） 19.薄板件的波浪形变形主要是焊缝局部应力较大而引起的。（√） 20.一般把金属的焊接分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类。（√） 二、问答题和分析题 1.在金属结晶过程中采用哪些措施可以使其晶粒细化？ 答：增加过冷度、变质处理、附加震动。 2.最常见的晶体结构有哪几种？下列金属各具有哪些晶体结构。 α-Feδ-Feγ-Fe 答：常见的晶体结构有，体心立方晶格、面心立方晶格、密排六防晶格。其中，α-Fe为体心立方晶格，δ-Fe为体心立方晶格，γ-Fe为面心立方晶格。 3.什么叫金属的同素异晶转变？室温下和1200°C的铁分别是什么晶格？ 答：金属在固态下由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化称为金属的同素异晶转变；室温下和1200°C的铁分别是面心立方晶格的γ-Fe和体心立方晶格的α-Fe。 4.什么是液态合金的充型能力？影响充型能力的因素有哪些 答：液态合金的充型能力是指液态合金充满铸型型腔，获得尺寸正确、形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。影响充型能力的因素主要有合金的流动性、浇注温度、充型压力、铸型条件。 5.铸件缩孔形成的原因是什么？什么是顺序凝固原则？什么是同时凝固原 则？各采取什么措施来实现？上述两种凝固原则各适用于哪种场合？ 答： （1）铸件缩孔形成的原因是液态金属填满铸型后，合金液逐渐冷却，铸件表面先冷却形成硬壳，里面的液态金属冷却收缩而形成凹陷，最后凝固成倒锥形缩孔。 （2）顺序凝固原则就是使铸件按递增的温度梯度方向从一个部分到另一部分依次凝固。在铸件可能出现缩孔的热节处，通过增设冒口或冷铁等一系列工艺措 二讲 1、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：以下现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏：（1）物质熔化时体积变化、熵变（及焓变）一般均不大。［注意：简答题此部分可略：如金属熔化时典型的体积变化△Vm／V（多为增大）为3～5％左右，表明液体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）金属熔化潜热比其汽化潜热小得多（1／15～1／30），表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。 3、雷诺数: 流体流动时的惯性力Fg和粘性力(内摩擦力)Fm之比称为雷诺数。用符号Re 表示。Re是一个无因次量。 层流：流体流动时,如果流体质点的轨迹(一般说随初始空间坐标x、y、z和时间t而变)是有规则的光滑曲线（最简单的情形是直线），这种流动叫层流。 紊流：在一定雷诺数下，流体表现在时间和空间上的随机脉动运动，流体中含有大量不同尺度的涡旋(eddy)。 4、流动性与充型能力的联系和区别。影响流动性的因素。 答: 区别：①二者概念不同。铸造工艺学中的流动性指在规定的铸型条件和浇注条件下，试样的长度或薄厚尺寸；而充型能力是指液态金属充满铸型型腔，并使铸件形状完整、轮廓清晰的能力。②影响因素有区别。流动性是液态金属本身的流动能力，与金属的成分、温度、杂质含量，及其物理性质有关；而充型能力除了取决于金属本身的流动能力外，还受外界条件，如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响。 联系：①流动性好的合金充型能力强；流动性差的合金充型能力亦差，但是，可以通过改善外界条件提高其充型能力。②可认为合金的流动性是在确定条件（试样结构、铸型性质、浇注条件）下的充型能力。 影响流动性的因素：金属的成分、温度、杂质含量、物理性质。 5、用同一种合金浇注同一批、同一种铸件，其中有一两件出现“浇不足”缺陷，可能是什么原因造成的？ 答：因为是用同一种合金浇注同一批、同一种铸件，所以合金性质、铸件结构相同，但可能由于一两件的铸型温度、浇注温度偏低（后浇的因为温降而温度略低）、或者浇注速度偏高、充型压头小等原因，都会造成“浇不足”缺陷。 6、用螺旋形试样测定合金的流动性时，为了使测得数据稳定和重复性好，应控制哪些因素？答：应控制的因素包括：合金成分、温度恒定，铸型温度保持不变，浇注温度、速度、充型压头保持恒定。 三讲 1、试述均质形核与异质形核之间的联系和区别。 答：均质形核与异质形核是晶体两种不同的形核方式。前者是依靠过冷液相中的结构起伏进行形核的方式，而后者则依靠外来质点进行形核。均质形核需要很大的过冷度和更高的形核功，所以实际金属和合金中很难发生均质形核，而多是异质形核。二者的临界形核半径相同，异质形核形核功△Ghe*与均质形核形核功△Gho*之间有如下关系：△Ghe*＝f(θ) △Gho*，其中，θ为新生固相与基底的夹角。θ＜180°时，为异质形核；θ＝180°时，为均质形核。 四讲 2、A-B二元合金原始成分为C0=C B＝2.5%，k0＝0.2，m L＝5，自左向右单向凝固，固相无扩散而液相仅有有限扩散（D L=3×10-5cm2/s），达到稳定态凝固时，求： 第2章作业参考答案 1. 液态金属成形的一般工艺过程是怎样的？结合其工艺特点分析该类工艺的优点、缺点和和适用范围。 液态金属成形是将液态金属注入铸型中使之冷却、凝固而形成零件的方法，一般工艺过程包括模样制造、铸型制造、金属熔化与充型、凝固等关键步骤。 铸造为液体成形具有不受零件大小/薄厚/复杂程度限制、可制造各种合金铸件、相对焊接和塑性成形而言尺寸精度高、成本低等优点；但需要造型、浇注等步骤，工艺相对繁琐，工件承载能力不如锻件，同时工作环境差，粉尘多。铸造适用于绝大部分零件，适用范围广。（工艺过程三点明确。明确分析优点、缺点和适用范围，同时结合其工艺特点） 2.铸造合金流动性差对铸件质量有何影响？浇注时金属液过热温度及其他工艺条件相同的情况下，初步判断一下HT350和HT200两种合金，哪个流动性好，为什么？什么是液态金属的充型性能？它与那些因素有关？ 流动性差，金属充型能力差，铸件成形质量降低；液态金属中的气体夹杂物不易浮出，易产生气孔、夹杂；对缩孔和裂纹的充填和愈合作用减弱，易产生缩孔、裂纹等缺陷。 HT200流动性好，HT200碳含量在3.0~3.6%，HT350在2.7~3.2%，因HT200成分更靠近共晶点，固-液区间小，熔点较低，故流动性好（固液两相区越大，结晶温度范围越大，枝晶越发达，流动性越差）。（流动性影响，判断及理由） 充型能力：指液态金属充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰健全铸件的能力。充型能力首先取决于合金的流动性，同时又受到铸型性质（如铸型蓄热系数、铸型温度、铸型中的气体）、浇注条件（如浇注温度、充型压头、浇注系统结构）以及铸件结构（如模数、复杂程度等）的影响。（充型能力定义，四个影响方面）3. 缩孔、缩松的区别是什么？什么样的合金容易出现疏松缺陷？生产中如何采取措施防止缩孔、缩松缺陷的产生？ 缩孔缩松的区别在形态，而取决于凝固方式，当铸件以逐层凝固方式凝固时，液态金属的流动使收缩集中到铸件最后凝固部分形成集中孔，即缩孔；而铸件以体积凝固方式凝固时，枝晶间隙的液体得不到补缩而形成小的孔洞，即缩松。 凝固区间大，收缩大的合金易产生缩松，如具有宽结晶温度范围的非共晶合金等。防止缩孔缩松的产生，可以调整化学成分，降低浇注温度和减慢浇注速度，增加铸型的激冷能力，设置冒口进行补缩，对于灰口铸铁和球铁可以利用石墨析出造成的体积膨胀，抵消部分或全部体积收缩。（缩孔缩松区别，产生缩孔缩松的原因，防止措施） 《先进材料成形技术与理论》博士考试大纲 一、《先进材料成形技术及理论》课程概述 编号：MB11001 学时数：40 学分：2.5 教学方式：讲课30、研讨6、实验参观4 二、教学目的与要求： 材料的种类繁多，其加工方法各异，近年来随同科学技术的发展，新材料、材料加工新技术不断出现。本课程将概述材料的分类及其加工方法的选择；重点介绍液态金属精密成形、金属材料塑性精确成形及金属连接成形等研究与应用领域的新技术、新理论；阐述材料加工中的共性与一体化技术。本课程作为材料加工工程专业的学位课，将使研究生对材料加工的新技术与新理论有个全面的了解，引导研究生在大材料学科领域进行思考与分析，为从事材料加工工程技术的研究与发展奠定基础。 三、课程内容： 第一章材料的分类及其加工方法概述 1.1材料的分类及加工方法概述 1.2材料加工方法的选择（不同材料）及不同加工方法的精度比较（同一种材料） 1.3材料加工中的共性（与一体化）技术 1.4材料加工技术的发展趋势 第二章液态金属精密成形理论及应用 2.1 材料液态成形的范畴及概述 2.2 消失模精密铸造原理及应用(原理、关键技术、应用实例、缺陷与防治) 2.3 Corsworth Process新技术(精密砂型铸造：锆英（砂）树脂砂型、电磁浇注、热法旧砂再生) 2.4 半固态铸造成形原理与技术（流变铸造、触变成形、注射成形） 2.5 铝、镁合金的精确成形技术（金属型铸造、压铸、反重力精密铸造、精密熔模铸造等） 2.6 特殊凝固技术（快速凝固、定向凝固、振动凝固） 2.7 金属零件的数字化铸造（铸件三维造型、工艺模拟及优化、样品铸件快速铸造、工业化生产及 其设计） 2.8 高密度粘土砂紧实机理及其成形技术（高压造型、气冲造型、静压造型） 第三章金属材料塑性精密成形工艺及理论 3.1 金属塑性成形种类与概述 3.2金属材料的超塑性及超塑成形（概念、条件、成形工艺） 3.3 复杂零件精密模锻及复杂管件的精密成形（精密模锻、复杂管件成形） 3.4 板料精密成形（精密冲裁、液压胀形、其它板料精密成型） 3.5 板料数字化成形（点（锤）渐进成形、线渐进（快速）成形、无模（面、液压缸作顶模）成形） 3.6 特种锻造（电镦、摆锻、辊锻、其它特种锻造） 第二章凝固温度场 4. 比较同样体积大小的球状、块状、板状及杆状铸件凝固时间的长短。 解：一般在体积相同的情况下上述物体的表面积大小依次为：A 球t 块>t 板>t 杆。 5. 在砂型中浇铸尺寸为300?300?20 mm 的纯铝板。设铸型的初始温度为20℃，浇注后瞬间铸件-铸型界面温度立即升至纯铝熔点660℃，且在铸件凝固期间保持不变。浇铸温度为670℃，金属与铸型材料的热物性参数见下表： 热物性 材料 导热系数λ W/(m ·K) 比热容C J/(kg ·K) 密度ρ kg/m 3 热扩散率a m 2/s 结晶潜热 J/kg 纯铝 212 1200 2700 6.5?10-5 3.9?105 砂型 0.739 1840 1600 2.5?10-7 试求：（1）根据平方根定律计算不同时刻铸件凝固层厚度s,并作出τ-s 曲线； （2）分别用“平方根定律”及“折算厚度法则”计算铸件的完全凝固时间，并分析差别。 解：(1) 代入相关已知数解得： 2222ρλc b =，=1475 ， ()()[] S i T T c L T T b K -+ρπ-= 10112022 = 0.9433 (m s m /) 根据公式K ξ τ= 计算出不同时刻铸件凝固层厚度s 见下表,τξ-曲线见图3。 τ (s) 0 20 40 60 80 100 120 ξ (mm) 4.22 6.00 7.31 8.44 9.43 10.3 (2) 利用“平方根定律”计算出铸件的完全凝固时间： 图3 τξ-关系曲线 一、名词解释 表面张力—表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均匀所致。 粘度－表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。或作用于液体表面的应力τ大小与垂直于该平面方向上的速度梯度dvx/dvy的比例系数。 表面自由能(表面能)－为产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。 液态金属的充型能力－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，即液态金属充填铸型的能力。 液态金属的流动性－是液态金属的工艺性能之一，与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。溶质平衡分配系数K0—特定温度T*下固相合金成分浓度CS*与液相合金成分CL*达到平衡时的比值。均质形核和异质形核－均质形核(Homogeneous nucleation) ：形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从液相自身发生形核的过程，亦称“自发形核” 。非均质形核(Hetergeneous nucleation) ：依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生核过程，亦称“异质形核”。 粗糙界面和光滑界面－从原子尺度上来看，固－液界面固相一侧的点阵位置只有50％左右被固相原子所占据，从而形成一个坑坑洼洼凹凸不平的界面层。粗糙界面在有些文献中也称为“非小晶面”。 光滑界面—从原子尺度上来看，固－液界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子占满，只留下少数空位或台阶，从而形成整体上平整光滑的界面结构。也称为“小晶面”或“小平面”。 “成分过冷”与“热过冷”－液态合金在凝固过程中溶质再分配引起固－液界面前沿的溶质富集，导致界面前沿熔体液相线的改变而可能产生所谓的“成分过冷”。这种仅由熔体存在的负温度梯度所造成的过冷，习惯上称为“热过冷” 。 内生生长和外生生长－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、胞状生长和柱状枝晶生长皆属于外生生长。等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为“内生生长”。 枝晶间距－指相邻同次枝晶间的垂直距离。它是树枝晶组织细化程度的表征。 共生生长－是指在共晶合金结晶时，后析出的相依附于领先相表面而析出，进而形成相互交叠的双相晶核且具有共同的生长界面，依靠溶质原子在界面前沿两相间的横向扩散，互相不断地为相邻的另一相提供生长所需的组元，彼此偶合的共同向前生长。 离异生长－两相的析出在时间上和空间上都是彼此分离的，因而形成的组织没有共生共晶的特征。这种非共生生长的共晶结晶方式称为离异生长，所形成的组织称离异共晶。 孕育与变质－孕育主要是影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；而变质则是改变晶体的生长机理，从而影响晶体形貌。变质在改变共晶合金的非金属相的结晶形貌上有着重要的应用，而在等轴晶组织的获得和细化中采用的则是孕育方法。 联生结晶－熔池边界未熔母材晶粒表面，非自发形核就依附在这个表面，在较小的过冷度下以柱状晶的形态向焊缝中心生长，称为联生结晶(也称外延生长)。 择优生长－那些主干取向与热流方向平行的枝晶，较之取向不利的相邻枝晶生长得更为迅速。它们优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长。在逐渐淘汰趋向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。这种互相竞争淘汰的晶体生长过程称为晶体的择优生长。 快速凝固－是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。 气体的溶解度—在一定温度和压力条件下，气体溶入金属的饱和浓度。影响溶解度的主要因素是温度及压力、气体的种类和合金的成分。 熔渣的碱度－是熔渣中的碱性氧化物与酸性氧化物浓度的比值（分子理论）或液态熔渣中自由氧离子的浓度（或氧离子的活度）（离子理论）。 熔渣的氧化和还原能力－是指熔渣向液态金属中传入氧（或从液态金属中导出氧）的能力。《材料成形原理》重点及答案
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