金属凝固理论复习资料
一、名词解释
1.能量起伏：金属晶体结构中每个原子的振动能量不是均等的，一些原子的能量超过原子
的平均能量，有些原子的能量则远小于平均能量，这种能量的不均匀性称为“能量起伏”
2.结构起伏：液态金属中的原子集团处于瞬息万变的状态，时而长大时而变小，时而产生
时而消失，此起彼落，犹如在不停顿地游动。这种结构的瞬息变化称为结构起伏。
3.浓度起伏：不同原子间结合力存在差别，在金属液原子团簇之间存在着成分差异。这种
成分的不均匀性称为浓度起伏。
4.熔化潜热:将金属加热到至熔点时，金属体积突然膨胀，等于固态金属从热力学温度零
度加热到熔点的总膨胀量，金属的其他性质如电阻，粘性等发生突变，吸收的热能。
5.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。
6.成分过冷：由溶质再分配导致的界面前方熔体成分及其凝固温度发生变化而引起的过
冷。
7.热过冷：仅由熔体实际温度分布所决定的过冷状态称为热过冷
8.宏观偏析：又称长程偏析或区域偏析，指较大范围内的化学成分不均匀现象，表现为铸
件各部位之间化学成分的差异。
9.微观偏析：微观偏析是指微小范围（约一个晶粒范围）内的化学成分不均匀现象，按位
置不同可分为晶内偏析（枝晶偏析）和晶界偏析。
10.微观偏析
（1）晶内偏析：在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于有一定结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。
（2）晶界偏析：溶质元素和非金属夹杂物富集与晶界，使晶界和晶内的化学成分出现差异。它会降低合金的塑性和高温性能，又会增加热裂倾向。
11.宏观偏析：
（1）正常偏析：当合金溶质分配系数k<1时，凝固界面的液相中将有一部分被排出，随着温度的降低，溶质的浓度将逐渐增加，越是后来结晶的固相，溶质浓度越高，当k>1时相反。正常偏析存在使铸件的性能不均匀，在随后的加工中难以消除。
（2）逆偏析：即k<1时，铸件表面或底部含溶质元素较多，而中心部分或上部分含溶质较少。
（3）V形偏析和逆V形偏析：常出现在大型铸锭中，一般呈锥形，偏析中含有较高的碳以及硫和磷等杂质。
（4）带状偏析：它总是和凝固的固-液界面相平行。
（5）重力偏析：由于重力的作用而出现化学成分不均匀的现象，常产生于金属凝固前和刚刚开始凝固之际。
枝晶偏析：由于固溶体合金多按枝晶方式生长，分支本身分支与分支间的成分是不均匀的，故称为~。
12.正偏析：指溶质含量高于其平均溶质含量的区域
13.负偏析：降低该区的溶质浓度，使该区C5降低，产生的偏析。（溶质含量低于其平均溶
质含量的区域）
14.重力偏析：由于沿垂直方向逐层凝固而产生的正常偏析和固液相之间或互不相容的液相
之间有的密度不同，在凝固过程中发生沉浮现象造成的。
15.过热度：指金属熔点与液态金属温度之差。
16.过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度
17.正吸附：当表面张力随溶液浓度升高而下降时,表面吸附量为正值,即为正吸附
18.负吸附：当表面张力随溶液浓度升高而增加时，表面吸附量为负值，即为负吸附。
19.热裂：铸件在凝固期间或刚凝固完毕，在高温下收缩受到阻碍产生的现象。
20.冷裂：铸件应力超出合金强度极限而产生的现象。
21.铸造应力：铸件在凝固或冷却过程中，发生线收缩，有些合金还发生固态相变，引起体
积的膨胀或收缩时产生的应力。
22.顺序凝固：铸件结构各部分，按照远离冒口的部分最先凝固，然后是靠近冒口部位，最
后是冒口本身凝固的次序进行的凝固方式
23.同时凝固：铸件各部分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时进行凝固的方式。
24.析出性气孔：金属液在凝固过程中，因气体溶解度下降而析出气体，形成气泡未能排除
而产生的气孔。
25.反应性气孔：金属液与铸型之间，金属与熔渣之间或金属液内部某些元素、化合物之间
发生化学反应所产生的气孔。
26.流动性：液态金属本身的流动能力，是金属的铸造性能之一，与金属的成分温度杂质含
量及其物理性质有关。
27.粗糙界面：界面固相一侧的点阵位置只有50%左右为固相原子所占据，这些原子散乱的
随机分布在界面上形成一个坑坑洼洼呕吐不平的界面层。
28.平整界面：固相表面的点阵位置几乎全部为固相原子所占据，只留下少数空位或在充满
固相原子的界面上存在有少数不稳定的孤立固相原子从而形成了一个总的来说平整光滑的界面。
29.一次氧化物：金属熔炼过程中及炉前处理中产生的氧化物称为一次氧化物。
30.二次氧化物：金属液在浇注及充填铸型过程中产生的氧化物称为二次氧化物。
31.近程有序排列：金属液体则由许多原子集团所组成，在原子集团内保持固体的排列特征，
而在原子集团之间的结合处则受到很大破坏。这种仅在原子集团内的有序排列称为近程有序排列。
32.粘滞性：在流体力学中有两个概念，一个是动力粘度，另一个是运动粘度。
33.表面张力：液态金属表面层的质点受到一个指向液体内部的力，物体倾向于减小其表面
积，这相当于在液态金属表面有一个平行于表面且各向大小相等的张力，这个张力就是表面张力。
34.机械阻碍应力：铸铁件冷却到弹性状态后，由于收缩受到弹性阻碍而产生机械阻碍应力。
它可表现为拉应力和压应力，当机械阻碍一经消除应力也随之消失，所以它是一种临时应力。
二、问答题
1.液态金属的停止流动机理
金属和窄结晶温度范围合金停止流动的过程可以分为以下几个阶段:
(a)过热量未完全散失前为纯液态流动。(b)冷的前端在型壁上凝固结壳。(c)后
边的金属液在被加热的管道中流动，冷却强度下降。如图２—４ｃ所示，由于液流通过I区终点时，尚有一定的过热度，将已经凝固的壳重新熔化，为第II区。所以，该区是先形成凝固壳，又被完全熔化。第III区是末被完全熔化而保留下来的一部分固相区，在该区的终点金属液耗尽了过热热量。在IV区，液相和固相具有相同的温度——结晶温度。
由于在该区的起点处结晶开始较早，断面上结晶完毕也较早，往往在它附近发生堵塞。
前端液态金属凝固收缩，形成吸力，产生喇叭状缩孔。
宽结晶温度范围的合金停止流动的过程可以分为以下几个阶段：
(a)有过热，纯液态流动。(b)温度低于液相线，析出晶体。析出的晶体顺流前进，并不
断长大。前端冷却快，晶粒粗大。(c)前端晶粒达到一定数量，结成一个连续的网络，阻碍后边的液态金属流动，流动停止。所联成的网受到后面液态金属向前的推力，造成前突特征。
2.液态金属的停止流动机理
金属、共晶合金、窄结晶温度范围合金：型壁处凝固结壳，柱状晶相接触，通道中心合并，流动停止
金的结晶温度范围越宽，枝晶就越发达，液流前端出现较少的固相量，通道阻塞，亦即在相对较短的时间内，液态金属便停止流动。
金属、共晶合金或窄结晶温度范围合金有良好的流动性，降低了凝固成形中冷隔、热裂、缩松等缺陷的产生。反之，宽结晶温度范围合金由于流动性差，往往会有较多的缺陷产生。
3、试分析中等结晶温度范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、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。5、高温出炉，低温浇注为什么可以改善铸件性能
为提高金属液的出炉温度有利于夹杂物的彻底熔化、熔渣上浮，便于清渣和除气，减少铸件的夹渣和气孔缺陷；
用较低的浇注温度，则有利于降低金属液中的气体溶解度、液态收缩量和高温金属液对型腔表面的烘烤，避免产生气孔、粘砂和缩孔等缺陷。因此，在保证充满铸型型腔的前提下，尽量采用较低的浇注温度。
结壳早晚：
停止流动的过程：
结壳晚
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。
如何由实验确定单相合金的动态凝固曲线？单相合金的凝固区间结构特点及其对缩孔缩松，热裂等铸造缺陷的影响。
图4-6为凝固动态曲线，它是根据直接测量的温度—时间曲线绘制的。首先在图4-6a上给出合金的液相线和固相线温度，把二直线与温度—时间相交的各点分别标注在图4-6b的(x / R ，τ)坐标系上，再将各点连接起来，即得凝固动态曲线。纵坐标x是铸件表面向中心方向的距离，R是铸件壁厚之半或圆柱体和球体的半径。由于凝固是从铸件壁两侧同时向中心进行，所以当x / R=1时表示已凝固至铸件中心。图4-6c为根据凝固动态曲线绘制的自测温度开始后2分20秒的凝固状况。根据凝固动态曲线可以获得任一时刻的凝固状态。
8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。
9充型能力与流动性的联系与区别：
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。充型能力与金属液本身的流动能力及铸型性质等因素有关。是设计浇注系统的重要依据之一。
动性：液态金属本身流动的能力。流动性与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。
型能力与流动性的关系：充型能力是外因（铸型性质、浇注条件、铸件结构）和内因（流动性）的共同结果。外因一定时，流动性就是充型能力。
型能力弱，则可能产生浇不足、冷隔、砂眼、铁豆、抬箱，以及卷入性气孔、夹砂等缺陷。
10影响充型能力的因素及提高充型能力的措施：
第一类因素金属性质方面的因素1）金属的密度ρ1；2）金属的比热容c1；3）金属的导热系数λ1；4）金属的结晶潜热 L ；5）金属的粘度η；6）金属的表面张力σ；7）金属的结晶特点。
第二类因素铸件性质方面的因素1）铸型的蓄热系数2）铸型的密度ρ2；3）铸型的比热容 c2；4）铸型的导热系数λ2；5）铸型的温度；6）铸型的涂料层；7）铸型的发气性和透气性。第三类因素浇注条件方面的因素：1）液态金属的浇注温度t浇；2）液态金属的静压头 H；3）浇注系统中压头损失总和；4）外力场（压力、真空、离心、振动等）。
第四类因素——铸件结构方面的因素: 1）铸件的折算厚度 R；2）由铸件结构所确定的型腔的复杂程度引起的压头损失。
措施：金属方面（1）正确选择合金的成分（2）合理的熔炼工艺。铸型方面：调整铸型，减小铸型中气体反压力（降低型砂中的含水量和发气物质的含量，提高砂型的透气性）浇注条件方面（1）浇注温度（2）充型压头（3）浇注系统的结构。铸件结构方面（1）折算厚度大（2）铸件的复杂程度。
11、怎么从相变理论理解液态金属结晶过程中的生核、成长机理？
答：相变理论：相变时必须具备热力学和动力学条件。
金属结晶属一种相变过程：
热力学条件即过冷度TΔ——驱动力ΔGV
动力学条件：克服能障
热力学能障——界面自由能——形核
力学能障——激活自由能ΔGA——长大
12合金结晶过程中的溶质再分配：
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的重新分布的过程。结晶是一个非平衡过程，对于平整界面有偏差，所以不仅由Ko决定。证明Ko为常数：Ko=C*s/C*l=(To/Ks)/(To/Kl)。两直线斜率比为常数。
13、何谓凝固过程的溶质再分配？它受哪些因素的影响？
溶质再分配：合金凝固时液相内的溶质一部分进入固相，另一部分进入液相，溶质传输使溶质在固－液界面两侧的固相和液相中进行再分配。
影响溶质再分配的因素有热力学条件和动力学条件。
答：（1）成分过冷判据()0
01k D k mC R G L O L --< 即：判据条件成立时，则存在成分过冷；反之，不会出现生分过冷。
（2）成分过冷的大小受以下因素影响
a 、合金本身：0C m 0k L D
b 、工艺因素：L G R
（3）
4）晶体的生长方式除受成分过冷的影响外，还受到热过冷的影响。不是所有的生长方式仅由成分过冷因素决定。
、纯金属：无成分过冷。
、过冷熔体的内生长，不一定存在成分过冷。
、游离晶的形成造成等轴晶生长。
15.热过冷和成分过冷
由熔体实际温度分布所决定的过冷状态称为热过冷。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称为成分过冷。
过冷与成分过冷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。在晶体生长过程中，界面前方的热过冷只不过是成分过冷在 Co ＝0 时的一个特例而已，两者在本质上是一致的。
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。 成分过冷判据：000
m (1)L L C k G R D k -<- 16、影响成分过冷的因素有哪些？它对材质或成型产品（铸件）的质量有何影响？
影响成分过冷范围的因素有：
成分过冷的条件 v G L <0
00)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D L 、G L 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。
17界面前方过冷状态对结晶过程的影响：
（1）热过冷对纯金属结晶过程的影响：1）界面前方无热过冷下的平面生长2）热过冷作用下的枝晶生长（2）成分过冷对一般单相合金结晶过程的影响：无成分过冷，平面生长；成分过冷的出现和增大，胞状生长-枝晶生长-新的晶核并不断长大，由柱状枝晶的外生生长到等轴枝晶的内生生长。一般单相合金结晶时的界面生长方式和晶体结构形态取决于工艺条件和成分条件共同作用下的成分过冷。
18何谓过冷度？为什么它是液态金属凝固的驱动力？
19 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，胞状生长河柱状树枝晶生长都属于外生生长。
内生生长：等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为内生生长。
如果成分过冷在远离界面处大于异质形核所需过冷度，就会在内部熔体中产生新的晶核，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。
20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。
21. 均质生核机制必须具备以下条件：
1) 过冷液体中存在相起伏，以提供固相晶核的晶胚。
2) 生核导致体积自由能降低，界面自由能提高。为此，晶胚需要体积达到一定尺寸
才能稳定存在。
3) 过冷液体中存在能量起伏和温度起伏，以提供临界生核功。
4) 为维持生核功，需要一定的过冷度。
22、试述均质生核与非均质生核的区别及联系？
答：均质生核：在没有任何外界面的均匀熔体中的生核过程，均质生核在熔体各处几率相同，晶核的全部固液界面皆由生核过程所提供，因此热力学能障较大，所需驱动力较大，理想液态金属的生核过程就是均质生核；非均质生核：在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型壁界面提供的衬底进行生核的过程，非均质生核优先发生在外来外界面处，因此热力学能障较小，所需要驱动力较小，实际液态金属的生核过程一般都是非均质生核。
23试述均质形核与非均质形核有何联系与区别。非均质形核时，对形核剂有什么要求？
一、1)均质形核：依靠液态金属内部自身的结构自发的形核。
2)非均质形核：依靠外来夹杂或型壁所提供的异质界面进行形核过程。
二、T
L T G r r LC V LC ?=?==0**22σσ非均 相等 但334r V π=均 ()θπf r V 33
4=非 ()4cos cos 323θθθ+-=f ∴ 非均质生核所需体积小，即相起伏时的原子数少。
三、2203*
316T L T G LC ??=?πσ均
()θf G G **均非?=? 两种均需能量起伏克服生核功，但非均质生核能需较小。
均匀形核理论可知，一种好的形核剂首先应能保证结晶相在衬底物质上形成尽可能小的润湿
角θ；其次形核剂还应在液态金属中尽可能保持稳定；并且具有最大的表面积和最佳的表面特性 (如表面粗糙或有凹坑等)。
24试述均质生核与非均质生核之间的区别与联系，并分别从临界晶核曲率半径、生核功两个方面阐述外来衬底的湿润能力对临界生核过冷度的影响。要满足纯金属非均质生核的热力学要求，液态金属必须具备哪两个基本条件？
答：（1）T
L T G r r LC V LC ?=?==0**22σσ非均 相等 334r V π=均 ()θπf r V 33
4=非 ()4cos cos 323θθθ+-=f 非均质生核所需体积小，即相起伏时的原子数少。
（2）2203*
316T L T G LC ??=?πσ均
()θf G G **均非?=? 两种均需能量起伏克服生核功，但非均质生核能需较小。
（3）右图看出 ↑?↑→*非T θ
()↓?↓→↓→T V f 非θ
即：对*
r ：θ与*非T ?的影响. （4）生核功： ()θπσf T L T G LC 2203*
316??=?非
()↓?↓→↓→?↓→T *能量起伏非G f θ
（5）纯金属非均质生核的热力学条件： V LC G r ?=σ2*
非 ()θπσf T L T G LC 2203*316??=?非 态金属需具备条件（1）液态金属需过冷 (2)衬底存在。
25.生核剂：
一种好的生核剂首先应能保证结晶相在衬底物质上形成尽可能小的润湿角θ，其次生核剂还应该在液态金属中尽可能地保持稳定，并且具有最大的表面积和最佳的表面特性。
2
6
、
常
用
生
核
剂
有
哪
些
种
类
，
其
作
用
条
件
和
机
理
如
何
？
1、直接作为外加晶核的生核剂。
2、通过与液态金属中的某元素形成较高熔点的稳定化合物。
3、通过在液相中造成很大的微区富集而造成结晶相通过非均质形核而提前弥散析出的生核剂。
、通过在液相中造成很大的微区富集而造成结晶相通过非均质形核而提前弥散析出的生核剂。含强
份
过
冷
的
生
核
剂
作用条件和机理：1
类
：
这
种
生
核
剂
通
常
是
与
欲
细
化
相
具
有
界
面
共
格
对
应
的
高
熔
点
物
质
或
同
类
金
属
、
非
金
属
碎
粒
，
他
们
与
欲
细
化
相
间
具
有
较
小
的
界
面
能
，
润
湿
角
小
，
直
接
作
为
衬
底
促
进
自
发
形
核
。
2
：生核剂中的元素能与液态金属中的某元素形成较高熔点的稳定化合物，这些化合物与欲细化相间
面
共
格
关
系
和
较
小
的
界
面
能
，
而
促
进
非
均
质
形
核
。
3类: 如分类时所述。
4
类
：
强
成
分
过
冷
生
核
剂
通
过
增
加
生
核
率
和
晶
数
量
，
降
低
生
长
速
度
而
使
组
织
细
化
。
27液态金属生核率曲线特点是什么？在实际的非均质生核过程中这个特点又有何变化?
答：实际非均质生核率受衬底面积大小的影响，当衬底面积全部充满后，生核率
曲线中断，即不再有非均质生核。
相变、生核、成长中的热力学及动力学：
（1）相变：
热力学条件：ΔT ，可以提供相变驱动力V ΔG 。
动力学条件：克服热力学能障和动力学能障。
（2）生核：
克服能障：热力学（界面自由能）、动力学A ΔG （作用小，对生核率影响小）
（3）生长：
热力学能障：G ( A )KTi V F Δ > ? ln ——取决于F A （处于过冷状态，且相变
驱动力克服此能障）
动力学能障：ΔGA
28、晶粒游离：
晶粒游离方式决定了铸件结晶中等轴晶“晶核”的来源。铸件结晶过程中几种形式的晶粒游离：1)游离晶直接来自过冷熔体中的非均质生核。2)由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离。3)液面晶粒沉积所引起的晶粒游离。除了非均质生核过程以外，各种形式的晶粒游离也是形成表面细晶粒区的“晶核”来源。
29、液态金属流动对铸件结晶中晶粒游离过程的作用主要是怎样通过影响其传热和传质过程而实现的？
游离境直接来自过冷熔体内的非均质生核
由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离
液面晶粒沉积所引起的晶粒游离
纯金属的凝固习题与答案 1 说明下列基本概念 凝固、结晶、过冷、过冷度、结构起伏、能量起伏、均匀形核、非均匀形核、临界晶核半径、临界晶核形核功、形核率、生长线速度、光滑界面、粗糙界面、动态过冷度、柱状晶、等轴晶、树枝状晶、单晶、非晶态、微晶、液晶。 2 当球状晶核在液相中形成时，系统自由能的变化为σππ233 44r G r G V +?=?，(1)求临界 晶核半径c r ；(2)证明V V c c G A G c ?- ==?2 31 σ(c V 为临界晶核体积)；(3)说明上式的物理意 义。 3 试比较均匀形核与非均匀形核的异同点，说明为什么非均匀形核往往比均匀形核更容易进行。 4 何谓动态过冷度?说明动态过冷度与晶体生长的关系。在单晶制备时控制动态过冷度的意义？ 5 分析在负温度梯度下，液态金属结晶出树枝晶的过程。 6 在同样的负温度梯下，为什么Pb 结晶出树枝状晶而Si 的结晶界面却是平整的? 7 实际生产中怎样控制铸件的晶粒大小?试举例说明。 8 何谓非晶态金属?简述几种制备非晶态金属的方法。非晶态金属与晶态金属的结构和性能有什么不同。 9 何谓急冷凝固技术?在急冷条件下会得到哪些不同于一般晶体的组织、结构?能获得何种新材料? . 计算当压力增加到500×105Pa 时锡的熔点的变化，已知在105Pa 下,锡的熔点为505K ，熔化热7196J/mol ，摩尔质量为118.8× 10-3kg/mol ，固体锡的体积质量7.30×103kg/m 3，熔化时的体积变化为+2.7%。 2. 考虑在一个大气压下液态铝的凝固，对于不同程度的过冷度，即：ΔT=1，10，100和200℃，计算： (a)临界晶核尺寸；(b)半径为r*的团簇个数； (c)从液态转变到固态时，单位体积的自由能变化ΔGv ； (d)从液态转变到固态时，临界尺寸r*处的自由能的变化 ΔGv 。 铝的熔点T m =993K ，单位体积熔化热ΔH f =1.836×109J/m 3，固液界面自由能γsc =93J/m 2 ， 原子体积V 0=1.66 ×10-29m 3。 3. (a)已知液态纯镍在1.1013×105Pa(1个大气压)，过冷度为319℃时发生均匀形核。设临界晶核半径为1nm ，纯镍的熔点为
材料成型原理 第一章（第二章的内容） 第一部分：液态金属凝固学 1.1 答：（1）纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。原子集团的空穴或 裂纹内分布着排列无规则的游离的原子，这样的结构处于瞬息万变的状态，液体内部 存在着能量起伏。 （2）实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡 组成的鱼目混珠的“混浊”液体，也就是说，实际的液态合金除了存在能量起伏外， 还存在结构起伏。 1.2答：液态金属的表面张力是界面张力的一个特例。表面张力对应于液－气的交界面，而 界面张力对应于固－液、液－气、固－固、固－气、液－液、气－气的交界面。 表面张力σ和界面张力ρ的关系如（1）ρ＝2σ/r,因表面张力而长生的曲面为球面时，r为球面的半径；（2）ρ＝σ（1/r1+1/r2）,式中r1、r2分别为曲面的曲率半径。 附加压力是因为液面弯曲后由表面张力引起的。 1.3答：液态金属的流动性和冲型能力都是影响成形产品质量的因素；不同点：流动性是确 定条件下的冲型能力，它是液态金属本身的流动能力，由液态合金的成分、温度、杂 质含量决定，与外界因素无关。而冲型能力首先取决于流动性，同时又与铸件结构、 浇注条件及铸型等条件有关。 提高液态金属的冲型能力的措施： （1）金属性质方面：①改善合金成分；②结晶潜热L要大；③比热、密度、导热系大; ④粘度、表面张力大。 （2）铸型性质方面：①蓄热系数大；②适当提高铸型温度；③提高透气性。 （3）浇注条件方面：①提高浇注温度；②提高浇注压力。 （4）铸件结构方面：①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度； ②降低结构复杂程度。 1.4 解：浇注模型如下：
金属凝固原理复习题部分参考答案 （杨连锋2009年1月） 2004年 二 写出界面稳定性动力学理论的判别式，并结合该式说明界面能，温度梯度，浓度梯度对界面稳定性的影响。 答：判别式, 2 01()()2 (1)m c v D s g m v D g G T k ωωωω * *??- ??? =-Γ- ++?? -- ??? ，()s ω的正负决定 着干扰振幅是增长还是衰减，从而决定固液界面稳定性。第一项是由界面能决定的，界面能不可能是负值，所以第一项始终为负值，界面能的增加有利于固液界面的稳定。第二项是由温度梯度决定的，温度梯度为正，界面稳定，温度梯度为负，界面不稳定。第三项恒为正，表明该项总使界面不稳定，固液界面前沿形成的浓度梯度不利于界面稳定，溶质沿界面扩散也不利于界面稳定。 三 写出溶质有效分配系数E k 的表达式，并说明液相中的对流及晶体生长速度对E k 的影 响。若不考虑初始过渡区，什么样的条件下才可能有0s C C * = 答：0 00 (1)N L s v E D C k k C k k e δ*- = = +- 可以看出，搅拌对流愈强时，扩散层厚度N δ愈小， 故s C * 愈小。生长速度愈大时，s C * 愈向0C 接近。（1）慢的生长速度和最大的对流时，N L v D δ《1，0E k k = ；（2）大的生长速度或者液相中没有任何对流而只有扩散时，N L v D δ》1，E k =1 （3）液相中有对流，但属于部分混合情况时，0 1E k k <<。1E k =时，0 s C C * = ，即在 大的生长速度或者液相中没有任何对流而只有扩散时。 四 写出宏观偏析的判别式，指出产生正偏析，负偏析，和不产生偏析的生长条件。 答：0 1s q q C k C k = -+，s C 是溶质的平均浓度，0C 是液相的原始成分，q 是枝晶 内溶质分布的决定因素，它是合金凝固收缩率β，凝固速度u 和流动速度v 的函数， (1)(1)v q u β=-- 。0s C C =，即 1p u v β β =- -时，q=1，无宏观偏析。0s C C >时，对于01k <的合金来说，为正偏析，此时 1p u v β β >- -。0s C C <时，对于01k <的合金来 说，为负偏析，此时 1p u v β β <- -。 五 解：用2m m m m r m m k r T V T V T H H σσ?=- ?=- ? ??计算
第三章纯金属的凝固 本章主要内容： 液态金属的结构； 金属结晶过程：金属结晶的条件，过冷，热力学分析，结构条件 晶核的形成：均匀形核：能量分析，临界晶核，形核功，形核率，非均匀形核：形核功，形核率 晶体的长大：动态过冷度（晶体长大的条件），固液界面微观结构，晶体长大机制，晶体长大形态：温度梯度，平面长大，树枝状长大、结晶理论的应用实例：铸锭晶粒度的控制，单晶制备，定向凝固，非晶态金属 一、填空 1..在液态金属中进行均质形核时，需要__结构_起伏和____能量起伏。 1.金属凝固的必要条件是__________过冷度和能量起伏_____________。 2.细化铸锭晶粒的基本方法是：（1）___控制过冷度_，（2）___变质处理__，（3）____振动、搅拌等____。 5、形成临界晶核时体积自由能的减小只能补偿新增表面能的____2/3____。 6、液态金属均质形核时，体系自由能的变化包括（体积自由能）和（表面自由能）两部分，其中__表面_____ 自由能是形核的阻力，____体积___自由能是形核的动力；临界晶核半径r K与过冷度△T呈__反比_ T L T r m m ? - = σ2 _ 关系，临界形核功△G K等于____ ()2 2 3 3 16 T L T G m m k? ? = ? σ π 表面能的1/3___。 7 动态过冷度是______晶核长大时固液界面（前沿）的过冷度___。 8 在工厂生产条件下，过冷度增大，则临界晶核半径__减小___，金属结晶冷却速度越快，N/G比值___越大_____，晶粒越细_小。 9 制备单晶的基本原理是__保证一个晶核形成并长大__，主要方法有____尖端成核法和___垂直提拉法。 10. 获得非晶合金的基本方法是_____快速冷却___________。 11 铸锭典型的三层组织是______细晶粒区________, ___柱状晶区____, _____等轴晶区____。 12 纯金属凝固时，其临界晶核半径的大小、晶粒大小主要决定于_______过冷度_______________。 14 液态金属凝固时，异质形核需要的过冷度比均质形核小，这是因为_异质形核时固相质点可作为晶核长大，其临界形核功较小。 15、液态金属凝固过程中晶体长大的方式有（垂直长大方式）和（横向长大方式），其中大多数金属采用（垂直长大方式）方式长大。 二、名词解释 过冷度，临界晶核，临界晶核半径，自发形核，结构起伏、能量起伏，形核功，形核率，变质处理， 异质形核，非晶态金属、光滑界面、粗糙界面、温度梯度、 三、判断 1 纯金属中含有少量杂质在热力学上是稳定的。（√） 2 临界半径r K大小仅与过冷度有关。（×）
第一章 原子排列与晶体结构 1. fcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,晶胞中原子数为 ，把原子视为刚性球时，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；bcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；hcp 结构的密排方向是 ，密排面 是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,， 晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 。 2. Al 的点阵常数为0.4049nm ，其结构原子体积是 ，每个晶胞中八面体间隙数为 ，四面体间隙数为 。 3. 纯铁冷却时在912ε 发生同素异晶转变是从 结构转变为 结构，配位数 ，致密度降低 ，晶体体积 ，原子半径发生 。 4. 在面心立方晶胞中画出）（211晶面和]211[晶向，指出﹤110﹥中位于（111）平 面上的方向。在hcp 晶胞的（0001）面上标出）（0121晶面和]0121[晶向。 5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。 6 在铅的（100）平面上，1mm 2有多少原子？已知铅为fcc 面心立方结构，其原子半径R=0.175×10-6mm 。 第二章 合金相结构 一、 填空 1） 随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度 ，塑性 ，导电性 ，形成间隙固溶体时，固溶体的点阵常数 。 2） 影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是（1） ； （2） ；（3） ；（4） 和环境因素。 3） 置换式固溶体的不均匀性主要表现为 和 。 4） 按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分，固溶体可分为 和 。 5） 无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是强度和硬度 ，塑性 ，导电性 。 6）间隙固溶体是 ，间隙化合物是 。 二、 问答 1、 分析氢，氮，碳，硼在?-Fe 和?-Fe 中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固溶度大小。已知元素的原子半径如下：氢：0.046nm ，氮：0.071nm ，碳：0.077nm ，硼：0.091nm ，?-Fe ：0.124nm ，?-Fe ：0.126nm 。 2、简述形成有序固溶体的必要条件。 第三章 纯金属的凝固 1. 填空 1. 在液态纯金属中进行均质形核时，需要 起伏和 起伏。 2 液态金属均质形核时，体系自由能的变化包括两部分，其中 自由能
第三章： 8：实际金属液态合金结构与理想纯金属液态结构有何不同 答：纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成的，是近程有序的。液态中存在着很大的能量起伏。而实际金属中存在大量的杂质原子，形成夹杂物，除了存在结构起伏和能量起伏外还存在浓度起伏。 12：简述液态金属的表面张力的实质及其影响因数。 答：实质：表面张力是表面能的物理表现，是是由原子间的作用力及其在表面和内部间排列状态的差别引起的。 影响因数：熔点、温度和溶质元素。 13：简述界面现象对液态成形过程的影响。 答：表面张力会产生一个附加压力，当固液相互润湿时，附加压力有助于液体的充填。液态成形所用的铸型或涂料材料与液态合金应是不润湿的，使铸件的表面得以光洁。凝固后期，表面张力对铸件凝固过程的补索状况，及是否出现热裂缺陷有重大影响。 15：简述过冷度与液态金属凝固的关系。 答：过冷度就是凝固的驱动力，过冷度越大，凝固的驱动力也越大；过冷度为零时，驱动力不存在。液态金属不会在没有过冷度的情况下凝固。 16：用动力学理论阐述液态金属完成凝固的过程。 答：高能态的液态原子变成低能态的固态原子，必须越过高能态的界面，界面具有界面能。生核或晶粒的长大是液态原子不断地向固体晶粒堆积的过程，是固液界面不断向前推进的过程。只有液态金属中那些具有高能态的原子才能越过更高能态的界面成为固体中的原子，从而完成凝固过程。 17：简述异质形核与均质形核的区别。 答：均质形核是依靠液态金属内部自身的结构自发形核，异质形核是依靠外来夹杂物所提供的异质界面非自发的形核。 异质形核与固体杂质接触，减少了表面自由能的增加。 异质形核形核功小，形核所需的结构起伏和能量起伏就小，形核容易，所需过冷度小。 18:什么条件下晶体以平面的方式生长什么条件下晶体以树枝晶方式生长 答：①平面方式长大：固液界面前方的液体正温度梯度分布，固液界面前方的过冷区域及过冷度极小，晶体生长时凝固潜热析出的方向与晶体的生长方向相反。 ②树枝晶方式生长：固液界面前方的液体负温度梯度分布，固液界面前方的过冷区域较大，且距离固液界面越远过冷度越大，晶体生长时凝固潜热析出的方向与晶体生长的方向相同。 19：简述晶体的微观长大方式及长大速率。 答：①连续生长机理--粗糙界面的生长：动力学过冷度小，生长速率快。②二维生长机理--光滑界面生长：过冷度影响大，生长速度慢。③从缺陷处生长机理--非完整界面生长：所需过冷度较大，生长速度位于以上二者之间。 20：为生么要研究液态金属凝固过程中的溶质再分配它受那些因素的影响 答：液态金属在凝固过程中的各组元会按一定的规律分配，它决定着凝固组织的成分分布和组织结构，液态合金凝固过程中溶质的传输，使溶质在固液界面两侧的固相和液相中进行再分配。掌握凝固过程中的溶质再分配的规律，是控制晶体生长行为的重要因素，也是在生产实践中控制各种凝固偏析的基础。 凝固过程中溶质的再分配是合金热力和动力学共同作用的结果，不同的凝固
金属凝固理论复习资料 一、名词解释 1.能量起伏：金属晶体结构中每个原子的振动能量不是均等的，一些原子的能量超过原子 的平均能量，有些原子的能量则远小于平均能量，这种能量的不均匀性称为“能量起伏” 2.结构起伏：液态金属中的原子集团处于瞬息万变的状态，时而长大时而变小，时而产生 时而消失，此起彼落，犹如在不停顿地游动。这种结构的瞬息变化称为结构起伏。 3.浓度起伏：不同原子间结合力存在差别，在金属液原子团簇之间存在着成分差异。这种 成分的不均匀性称为浓度起伏。 4.熔化潜热:将金属加热到至熔点时，金属体积突然膨胀，等于固态金属从热力学温度零 度加热到熔点的总膨胀量，金属的其他性质如电阻，粘性等发生突变，吸收的热能。 5.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。 6.成分过冷：由溶质再分配导致的界面前方熔体成分及其凝固温度发生变化而引起的过 冷。 7.热过冷：仅由熔体实际温度分布所决定的过冷状态称为热过冷 8.宏观偏析：又称长程偏析或区域偏析，指较大范围内的化学成分不均匀现象，表现为铸 件各部位之间化学成分的差异。 9.微观偏析：微观偏析是指微小范围（约一个晶粒范围）内的化学成分不均匀现象，按位 置不同可分为晶内偏析（枝晶偏析）和晶界偏析。 10.微观偏析 （1）晶内偏析：在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于有一定结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。 （2）晶界偏析：溶质元素和非金属夹杂物富集与晶界，使晶界和晶内的化学成分出现差异。它会降低合金的塑性和高温性能，又会增加热裂倾向。 11.宏观偏析： （1）正常偏析：当合金溶质分配系数k<1时，凝固界面的液相中将有一部分被排出，随着温度的降低，溶质的浓度将逐渐增加，越是后来结晶的固相，溶质浓度越高，当k>1时相反。正常偏析存在使铸件的性能不均匀，在随后的加工中难以消除。 （2）逆偏析：即k<1时，铸件表面或底部含溶质元素较多，而中心部分或上部分含溶质较少。 （3）V形偏析和逆V形偏析：常出现在大型铸锭中，一般呈锥形，偏析中含有较高的碳以及硫和磷等杂质。 （4）带状偏析：它总是和凝固的固-液界面相平行。 （5）重力偏析：由于重力的作用而出现化学成分不均匀的现象，常产生于金属凝固前和刚刚开始凝固之际。 枝晶偏析：由于固溶体合金多按枝晶方式生长，分支本身分支与分支间的成分是不均匀的，故称为~。 12.正偏析：指溶质含量高于其平均溶质含量的区域 13.负偏析：降低该区的溶质浓度，使该区C5降低，产生的偏析。（溶质含量低于其平均溶 质含量的区域） 14.重力偏析：由于沿垂直方向逐层凝固而产生的正常偏析和固液相之间或互不相容的液相 之间有的密度不同，在凝固过程中发生沉浮现象造成的。 15.过热度：指金属熔点与液态金属温度之差。 16.过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度
第二章纯金属的结晶 (一) 填空题 1．金属结晶两个密切联系的基本过程是形核和长大。 2 在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为结晶，通常把金属从一种结构的固态向另一种结构的固态的转变称为相变。 3．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是增加非均质形核的形核率来细化晶粒 4．液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是控制过冷度、加入结构类型相同的形核剂、振动、搅动 5．金属冷却时的结晶过程是一个放热过程。 6．液态金属的结构特点为长程无序，短程有序。 7．如果其他条件相同，则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的细小，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的粗大，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的细小，薄铸件的晶粒比厚铸件细小。 8．过冷度是金属相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变，即平衡相变温度与该实际转变温度之差。一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越细小。 9、固态相变的驱动力是新、旧两相间的自由能差。 10、金属结晶的热力学条件为金属液必须过冷。 11、金属结晶的结构条件为在过冷金属液中具有尺寸较大的相起伏，即晶坯。 12、铸锭的宏观组织包括外表面细晶区、中间等轴晶区和心部等轴晶区。 (二) 判断题 1 凡是由液态金属冷却结晶的过程都可分为两个阶段。即先形核，形核停止以后，便发生长大，使晶粒充满整个容积。( ×) 2．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。( ×) 3．近代研究表明：液态金属的结构与固态金属比较接近，而与气态相差较远。( √) 4．金属由液态转变成固态的过程，是由近程有序排列向远程有序排列转变的过程。( √) 5．当纯金属结晶时，形核率随过冷度的增加而不断增加。( ×) P41+7 6．在结晶过程中，当晶核成长时，晶核的长大速度随过冷度的增大而增大，但当过冷度很大时，晶核的长大速度则很快减小。( √) P53 图2-33 7．金属结晶时，冷却速度愈大，则其结晶后的晶粒愈细。( √) P53-12 8．所有相变的基本过程都是形核和核长大的过程。( √) 9．在其它条件相同时，金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的铸件晶粒更细(√) 10．在其它条件相同时，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的铸件晶粒更细。( ×) 11．在其它条件相同时，铸成薄件的晶粒比铸成厚件的晶粒更细。( √) 12. 金属的理论结晶温度总是高于实际结晶温度。( √) 14．在实际生产条件下，金属凝固时的过冷度都很小(<20℃)，其主要原因是由于非均匀形核的结果。(√) 15．过冷是结晶的必要条件，无论过冷度大小，均能保证结晶过程得以进行。
1.凝固速度对铸件凝固组织、性能与凝固缺陷的产生有重要影响。试分析可以通过哪些工艺措施来改变或控制凝固速度？ 答：① 改变铸件的浇注温度、浇铸方式与浇铸速度； ② 选用适当的铸型材料和起始（预热）温度； ③ 在铸型中适当布置冷铁、冒口与浇口； ④ 在铸型型腔内表面涂敷适当厚度与性能的涂料。 2. 影响铸件凝固方式的因素有哪些？ 答：①合金凝固温度区间；②铸件断面的温度梯度。 3. 何为凝固动态曲线？有何意义？ 答： 凝固动态曲线：在凝固体的断面上，不同时间、不同位置达到同一温度点（液相温度、固相温度）连接起来的曲线。 意义：判断金属在凝固过程中两相去的宽窄由两相区的宽窄判断凝固断面的凝固方式。 4. 凝固方式分为几种？对铸件质量有何影响？ 答：①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（形成缩松的倾向小，可以采用一定的工艺措施消除集中缩孔）。热裂倾向小（因为热裂是在凝固区形成的，凝固区域窄，晶间不易出现裂纹，即使出现也可以焊合）。气孔倾向小，应力大，宏观偏析严重。 ②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（因为热裂是在凝固区形成的，凝固区域宽，晶间易出现裂纹），气孔倾向大，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：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。 5．凝固时间“平方根定律”与“折算厚度法则”有何区别？ 答：“平方根定律”是对于大平板，球体和长圆柱体铸件比较准确，对于短而粗的杆和矩形；“折算厚度法则”考虑了铸件形状，由于边角效应的影响，计算结果一般比实际凝固时间长10%~20%。“折算定律”考虑了铸件形状影响因素，接近实际，是对“平方根定律”的修正。它们形式一样但意义不一样。 6. 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？。 答：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 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 ，
河南科技大学 2014级硕士研究生课程考试试题 一、名词解释（每个3分，共30分） (1)共晶团；（2)小晶面相；（3)均质形核；（4)生长过冷度；（5)溶质平衡分配系数； (6)临界晶核；（7)等轴枝晶；（8)成分过冷；（9)溶质再分配；（10)形核速率 二、问答题（每题5分，共10分） 1.铸造铝硅合金变质处理，可以使共晶硅相细化和钝化，但只能使初生硅相细化，而不能改变其形态，为什么？ 2.凝固过程中晶体的生长方式有哪些？不同生长方式的长大速度与生长过冷度的关系是怎 样的？ 三、计算分析题（每题10分，共20分） 1.在成分为含GalOppm的Ge-Ga熔液中生长Ge-Ga晶体，对流边界层厚δ=0.005厘米，设液相扩散系 数D L=5×10-5厘米2/秒,溶质分配系数k=0.1，凝固速度为8×10-3厘米/秒。问凝固到50%时形成的固相成分为多少？试绘制出凝固后沿锭子轴向的成分分布图。 2.通过热分析实验测得某共晶Zn-Al合金试样从开始结晶到结晶结束的时间为2s,对该试样进行定量 金相统计，得到共晶团最大直径为0.22mm，层片间距为0.0023mm。另有一共晶Zn-Al合金试样，由于冷却速度太快，在热分析实验所得的冷却曲线上分辨不出试样开始结晶和结晶结束的时刻，但对该试样进行定量金相统计，得到共晶团最大直径为0.05mm, 层片间距为0.0005mm，试推算该试样从开始结晶到结晶结束的时间（Zn-Al合金中的共晶组织为“非小晶面相一非小晶面相”共晶 四、综述题（每人选做一题，不能同题，40分） 1.查阅文献资料，综述有关液态金属结构的理论与实验结果。 2.查阅文献资料，综述有关金属液固相变物理机制的研究成果。 3.论述形核的热力学原理，以此为基础阐述孕育剂的作用。 4.解析形核的动力学规律，以此为基础阐述孕育剂的作用。 5.论述决定小晶面与非小晶面两种生长方式的热力学原理，以此为基础阐述变质剂改变晶体生长方式的 机理。 6.论述影响小晶面与非小晶面两种生长方式的动力学因素，以此为基础阐述变质剂改变晶体生长方式的 机理。 7.论述晶体生长方式及其长大速度，对二维形核生长方式的长大速度进行物理数学解析。 8.论述铸铁中石墨相的生长方式，以及变质处理改变石墨相形态的物理机制。 9.论述铸造铝硅合金中硅相的生长方式，以及变质处理改变硅相形态的物理机制。 10.试推导固相无扩散，液相均匀混合情况下球形晶生长的溶质再分配解析式。
第三章 1.在正温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能呈树枝状生长，而固溶体合金却能呈树枝状成长？ 纯金属凝固时，要获得树枝状晶体，必需在负的温度梯度下；在正的温度梯度下，只能以平面状长大。而固溶体实际凝固时，往往会产生成分过冷，当成分过冷区足够大时，固溶体就会以树枝状长大。 2.何谓合金平衡相图，相图能给出任一条件下的合金显微组织吗？ 合金平衡相图是研究合金的工具，是研究合金中成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。其中二元合金相图表示二元合金相图表示在平衡状态下，合金的组成相或组织状态与温度、成分、压力之间关系的简明图解。平衡状态：合金的成分、质量份数不再随时间而变化的一种状态。合金的极缓慢冷却可近似认为是平衡状态。 三元合金相图是指独立组分数为3的体系，该体系最多可能有四个自由度，即温度、压力和两个浓度项，用三维空间的立体模型已不足以表示这种相图。若维持压力不变，则自由度最多等于3，其相图可用立体模型表示。若压力、温度同时固定，则自由度最多为2，可用平面图来表示。通常在平面图上用等边三角形(有时也有用直角坐标表示的)来表示各组分的浓度。 不能，相图只能给出合金在平衡条件下存在的合金显微组织 4.何谓成分过冷？成分过冷对固溶体结晶时晶体长大方式和铸锭组织有何影响？
在固溶体合金凝固时，在正的温度梯度下，由于固液界面前沿液相中的成分有所差别，导致固液界面前沿的熔体的温度低于实际液相线温度，从而产生的过冷称为成分过冷。 这种过冷完全是由于界面前沿液相中的成分差别所引起的。温度梯度增大，成分过冷减小。成分过冷必须具备两个条件：第一是固~液界面前沿溶质的富集而引起成分再分配；第二是固~液界面前方液相的实际温度分布，或温度分布梯度必须达到一定的值。 对合金而言，其凝固过程同时伴随着溶质再分配，液体的成分始终处于变化当中，液体中的溶质成分的重新分配改变了相应的固液平衡温度，这种关系有合金的平衡相图所规定。利用“成分过冷”判断合金微观的生长过程。
第11章凝固缺陷及控制 1.何谓枝晶偏析、晶界偏析、正偏析、负偏析、正常偏析、逆偏析和重力偏析？ (2) 2.偏析是如何形成的？影响偏析的因素有哪些？生产中如何防止偏析的形成？ (2) 3.焊缝的偏析有哪些类型？为什么说熔合区是焊接的薄弱部位？ (3) 4.分析偏析对金属质量的影响？ (3) 5简述析出性气体的特征、形成机理及主要防止措施。 (4) 6、焊缝中的气孔有哪几种类型？有何特征？ (5) 7、试述夹杂物的形成原理、影响因素及主要防止措施。 (5) 8、何谓体收缩、线收缩、液态收缩、凝固收缩、固态收缩和收缩率？ (6) 9、分析缩孔的形成过程，说明缩孔与缩松的形成条件及形成原因的异同点。 (7) 10、分析灰铸铁和球墨铸铁产生缩孔、缩松的倾向性及影响因素。 (7) 11、简述顺序凝固原则和同时凝固原则各自的优缺点和适用范围。 (8) 12、焊件和铸件的热应力是如何形成的?应采取哪些措施予以控制? (9) 13、简述凝固裂纹的形成机理及防止措施。 (10) 14、何谓液化裂纹？出现在焊接接头的哪个区域？为什么？ (11) 15. 试叙冷裂纹的种类及特征 (12) 16、分析氢在形成冷裂纹中的作用，简述氢致裂纹的特征和机理。 (12) 17、为什么低合金钢冷裂纹容易出现在焊接热影响区及焊根、焊趾部位？ (13) 18、何谓拘束度和拘束应力？两者的影响因素有哪些？他们对冷裂纹的形成有何影响？.13 19、如何防止焊件和铸件产生冷纹？ (13)
第11章凝固缺陷及控制习题解答 1.何谓枝晶偏析、晶界偏析、正偏析、负偏析、正常偏析、逆偏析和重力偏析？ 答：枝晶偏析，又称晶内偏析，是在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于具有结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。对于溶质分配系数k0<1的固溶体合金，晶粒内先结晶部分含溶质较少，后结晶部分含溶质较多。这种成分不均匀性就是晶内偏析。固溶体合金按树枝晶方式生长时，先结晶的枝干与后结晶的分枝也存在着成分差异，因此又称为枝晶偏析。 晶界偏析：在合金凝固过程中，溶质元素和非金属夹杂物常富集于晶界，使晶界与晶内的化学成分出现差异，这种成分不均匀现象称为晶界偏析。 正偏析与负偏析：根据合金各部位的溶质浓度Cs与合金原始平均浓度C0的偏离情况分，凡Cs＞C0者，称为正偏析；Cs＜C0者，称为负偏析。 正常偏析：当合金的溶质分配系数k0<1时，凝固界面的液相中将有一部分溶质被排出，随着温度的降低，溶质的浓度将逐渐增加，越是后来结晶的固相，溶质浓度越高。当k0>1时则与此相反，越是后来结晶的固相，溶质浓度越低。按照溶质再分配规律，这些都是正常现象，故称之为正常偏析。 逆偏析：铸件凝固后常出现与正常偏析相反的情况，即k0<1时，铸件表面或底部含溶质元素较多，而中心部位或上部含溶质较少，这种现象称为逆偏析。 重力偏析：重力偏析是由于重力作用而出现的化学不均匀现象，通常产生于金属凝固前和刚刚开始凝固之际。当共存的液体和固体或互不相溶的液相之间存在密度差时，将会产生重力偏析。 2.偏析是如何形成的？影响偏析的因素有哪些？生产中如何防止偏析的形成？ 答：偏析主要是由于合金在凝固过程中扩散不充分、溶质再分配而引起的。 影响偏析的因素有：1）合金液、固相线间隔；2）偏析元素的扩散能力；3）冷却条件。 针对不同种类的偏析可采取不同的防止方法，具体有： （1）生产中可通过扩散退火或均匀化退火来消除晶内偏析，即将合金加热到低于固相线100～200℃的温度，进行长时间保温，使偏析元素进行充分扩散，以达到均匀化； （2）预防和消除晶界偏析的方法与晶内偏析所采用的措施相同，即细化晶粒、均匀化退火。但对于氧化物和硫化物引起的晶界偏析，即使均匀化退火也无法消除，必须从减少合
《液态金属成型原理》习题一 （第一章 第三章） 1. 根据实验现象说明液态金属结构。描述实际液态金属结构。 实验依据： 1）多数金属熔化有约3-5%的体积膨胀,表明原子间距增加1-1.5%； 2）熔化时熵增大，表明原子排列混乱程度增加，有序性下降； 3）汽化潜热远大于熔化潜热, 比值=15-28，液态结构更接近固态； 4）衍射图的特征可以用近程有序概括；仅在几个原子间距范围内，质点的排列与固态相似，排列有序； 液态金属结构：液体是原子或分子的均质的、密集的、“短程有序”的随机堆积集合体。其中既无晶体区域，也无大到足以容纳另一原子的空穴。与理想结构不同，实际金属含有杂质和合金元素，存在着能量起伏、结实验数据 液体结构定性推论 熔化时，约 3-5%的体积膨 胀。 原子间距增加1-1.5%,排列松散 Lb>>Lm 与固态相比，金属原子的结合键破坏很少部分 熔化时熵增大 排列的有序性下降，混乱度增加 气、液、固相比较，液态金属结构更接近固态
构起伏和成分起伏。 2.估计压力变化10kbar引起的铜的平衡熔点的变化。已知液体铜的摩尔 体积为8.0?10-6m3/mol，固态为7.6?10-6m3/mol，熔化潜热Lm=13.05kJ/mol，熔点为1085?C。 41.56K 3.推导凝固驱动力的计算公式，指出各符号的意义并说明凝固驱动力的本 质。 本质：凝固驱动力是由过冷度提供的，过冷度越大，凝固驱动力越大。 4.在环境压力为100kPa下，在紧靠熔融金属的表面处形成一个直径为2μm 的稳定气泡时，设气泡与液体金属的σ=0.84N/m，求气泡的内压力。 P=100kPa +( 2*0.84N/m)/(1*10-6m)=1780kPa 5.如何区分固—液界面的微观结构？ 界面结构判据：Jackson因子α≤2，X=0.5时，?G=min，粗糙界面； α≥3，X→ 0或1时，?G=min，光滑界面； 6.推导均质形核下临界晶核半径和临界形核功，并说明过冷度对二者的影 响
1 1 回答液态金属凝固时均匀形核的有关问题： (1)形核的必要条件；过冷度（热力学条件），能量起伏(能量条件)，结构起伏（几何条件） (2)晶核半径γk 与V G ?、T ?关系的表达式。（p231） 2 简述湿润角θ、杂质粒子的晶体结构和表面形态对异质形核的影响。 参考答案： 纯金属凝固时 润湿角θ＝0°，形核功为0，固相粒子促进形核效果最好； 润湿角θ＝180°，异质形核功等于均匀形核功，固相粒子对形核无促进作用； 润湿角0°<θ<180°，形核功比均匀形核的形核功小，θ越小，固相粒子促进形核效果越好。 杂质颗粒的晶体结构与晶核相同或相近时，促进形核效果好，当两者结构不相同时，一般对促进形核效果差或不促进形核。 杂质粒子的表面成凹形时，促进形核效果好，成平面状时次之，凸形时最差。 3 证明金属形核时，无论是均匀形核、非均匀形核（平面墙），临界形核功G k ?与临界晶核体积k V 、临界表面积k A 的关系 1123G k k V k V G A σ?=-?= 4 铜的熔点m T =1356 K ，熔化热m H ?=1628 J/cm 2，液固界面能σ=177 erg/cm 2，点阵常数a =0.361 5 nm 。 求铜△T =100 ℃ 时均匀形核的临界核心半径和每个临界核心的原子数目。 5 何谓过冷，过冷度，动态过冷度，它们对结晶过程有何影响？ 参考答案： 过冷是指金属结晶时实际结晶温度T 比理论结晶温度m T 低的现象。过冷度ΔT 指m T 与T 的差值。动态过冷度指晶核长大时的过冷度。金属形核和长大都需要过冷，过冷度增大通常使形核半径、形核功减少，形核过程容易，形核率增加，晶粒细化。
《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-Fe3C共晶合金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
金属凝固原理思考题 1． 表面张力、界面张力在凝固过程的作用和意义。 2． 如何从液态金属的结构特点解释自发形核的机制。 答：晶体熔化后的液态结构是长程无序，而短程内却存在不稳定的、接近有序的原子集团。由于液态中原子运动较为强烈，在其平衡位置停留时间甚短，故这种局部有序排列的原子集团此消彼长，即结构起伏和相起伏。当温度降到熔点以下，在液相中时聚时散的短程有序原子集团，就可能成为均匀形核的晶胚，从而进行均匀形核。 3． 从最大形核功的角度，解释0/=?dr G d 的含义。 4． 表面张力、界面张力在凝固过程和液态成形中的意义。 5． 在曲率为零时，纯镍的平衡熔点为1723K ，假设镍的球形试样半径是1cm ，1μm 、μm ，其熔点温度各为多少已知△H=18058J/mol ，V m =606cm 3/mol ，σ=255×107J/cm 2 6． （与第18题重复）证明在相同的过冷度下均质形核时，球形晶核与立方形晶核哪种更易形成。 答：对于球形晶核：过冷液中出现一个晶胚时，总的自由能变化为ΔG=（4πr 3ΔG V /3）+4πr 2σ。临界晶核的半径为r *，由d ΔG/dr=0求得：r *=-2σ/ΔG v =2σT m /L m ΔT ，则临界形核的功及形核功为：ΔG *球=16πσ3/3ΔG v 2=16πσ3T m 2/3(L m ΔT)2. 对于立方形晶核：同理推得临界半径形r *=-4σ/ΔG v ，形核功ΔG *方=32σ3/ΔG v 2。 则ΔG *球<ΔG *方，所以在相同的过冷度下均质形核时，球形晶核比立方形晶核更容易。 7． 用平面图表示，为什么晶体长大时，快速长大的晶体平面会消失，而留下长的速度较慢的平面。 8．用相变热力学分析为何形核一定要在过冷的条件下进行。 答：在一定温度下，从一相转变为另一相的自由能变化：ΔG=ΔH-T ΔS 。令液相到固相转变的单位体积自由能变化为：ΔG V =G S -G L ，(G S 、G L 分别为固相和液相单位体积自由能）。由G=H-S 可知，ΔG V =（H S -H L )—T(S S -S L )。由于恒压下，ΔH P =H S -H L =—L m ，ΔS m =S S -S L =—L m /T m ，（L m 为熔化热，ΔS m 为熔化熵）。整理以上各式得：m m V T T L G ?-= ?，其中ΔT=T m -T 。由上式可知：要使V G ?<0，必须使ΔT>0，即T 第二章纯金属结晶作业答 案 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII 第二章纯金属的结晶 (一) 填空题 1．金属结晶两个密切联系的基本过程是形核和长大。 2 在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为结晶，通常把金属从一种结构的固态向另一种结构的固态的转变称为相变。 3．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是增加非均质形核的形核率 来细化晶粒 4．液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是控制过冷度、加入结构类 型相同的形核剂、振动、搅动 5．金属冷却时的结晶过程是一个放热过程。 6．液态金属的结构特点为长程无序，短程有序。 7．如果其他条件相同，则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的细小，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的粗大，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的细小，薄铸件的晶粒比厚铸件细小。 8．过冷度是金属相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变，即平衡 相变温度与该实际转变温度之差。一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越细小。 9、固态相变的驱动力是新、旧两相间的自由能差。 10、金属结晶的热力学条件为金属液必须过冷。 11、金属结晶的结构条件为在过冷金属液中具有尺寸较大的相起伏，即晶 坯。 12、铸锭的宏观组织包括外表面细晶区、中间等轴晶区和心部等轴晶区。 (二) 判断题 1 凡是由液态金属冷却结晶的过程都可分为两个阶段。即先形核，形核停止以后，便发生长大，使晶粒充满整个容积。 ( × ) 2．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。 ( × ) 3．近代研究表明：液态金属的结构与固态金属比较接近，而与气态相差较远。( √ ) 4．金属由液态转变成固态的过程，是由近程有序排列向远程有序排列转变的 过程。( √ ) 5．当纯金属结晶时，形核率随过冷度的增加而不断增加。( × ) P41+7 6．在结晶过程中，当晶核成长时，晶核的长大速度随过冷度的增大而增大，但当过冷度很大时，晶核的长大速度则很快减小。 ( √ ) P53 图2-33 7．金属结晶时，冷却速度愈大，则其结晶后的晶粒愈细。( √ ) P53-12 8．所有相变的基本过程都是形核和核长大的过程。( √ ) 9．在其它条件相同时，金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的铸件晶粒更细(√ ) 10．在其它条件相同时，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的铸件晶粒更细。( × ) 11．在其它条件相同时，铸成薄件的晶粒比铸成厚件的晶粒更细。( √ ) 12. 金属的理论结晶温度总是高于实际结晶温度。 ( √ )第二章纯金属结晶作业答案
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