名词解释 1.材料成形技术：利用生产工具对各种原材料进行增值加工或处理，材料制备成具一定结构形式和形状工件的方法 2.液态成型：将液态金属浇注到与零件形状相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法 3.逐层凝固：纯金属和共晶成分的合金在凝固中不存在固液两相并存的凝固区，所以固液分界面清晰可见，一直向铸件中心移动（铸铁） 4.糊状凝固：铸件在结晶过程中，当结晶温度范围很宽且铸件界面上的温度梯度较小，则不存在固相层，固液两相共存的凝固区贯穿整个区域（铸钢） 5.同时凝固原则：铸件相邻各部位或铸件各处凝固开始及结束的时间相同或相近，甚至是同时完成凝固过程，无先后的差异及明显的方向性 6.顺序凝固原则：在铸件上可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口等工艺措施，使铸件远离冒口的部位先凝固，然后是靠近冒口的部位凝固，最后才是冒口本身凝固。 7.均衡凝固原则：利用铸铁件石墨的共晶膨胀消除缩松的工艺方式 8.砂型铸造：以型砂（SiO2）为铸型、在重力下充型的液态成形工艺方法 9.金属型铸造：以金属为铸型、在重力下的液态成形方法。 10.熔模铸：以蜡为模型，以若干层耐火材料为铸型材料，成形铸型后，熔去蜡模形成型腔，最终在重力下成形的液态成形方法 11.压力铸：把液态或半液态的金属在高压作用下，快速充填铸型，并在高压下凝固而获得铸型的方法 12.低压铸造：是液态金属在较小的压力（20—80Kpa）作用下，使金属液由下而上对铸型进项充型，并在此压力下凝固成型的铸造工艺 13.反重力铸造：液态金属在与重力相反方向力的作用下完成充型，凝固和补缩的铸造成型 14.离心铸造：将液态金属浇注到高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下充填型腔并凝固成型的方法 15.消失模铸造：用泡沫塑料制成带有浇冒系统的模型，覆上涂料，用干砂造型，无需取模，直接浇注的铸件方法 16.浇注系统：液态金属流入型腔的通道的总称，通常由浇口杯，直浇道，直浇道窝，横浇道和内浇道组成 17.阻流界面：在浇注系统各组元中，截面积最小的部分称为阻流截面 18.集渣包：横浇道上被局部加大加高的部分 19.浇口比：直浇道，横浇道，内浇道截面积之比 20.热节：在壁的相互连接处由于壁厚增加，凝固速度最慢，最容易形成收缩类缺陷 分型面：两半铸型相互接触的表面。分为平直和曲面。作用：便于造型、下芯和起模具。 21.砂芯：为了起模方便并形成铸件的内腔、孔和铸件外形不能出砂的部位，所采用的砂块 22.芯头：伸出铸件以外不与金属液接触的砂芯部分芯头种类：垂直芯头、水平芯头、特殊结构的芯头 23.冒口：铸型内用于储存金属液的空腔，在铸件凝固过程中补给金属，起到防止缩孔，缩松，排气和集渣的作用 冒口=冒口区+轴线缩松区+末端区 24.冒口的补缩距离：冒口补缩后形成的致密冒口区和致密末端区之和 25.补贴：为实现顺序凝固和增强补缩效果，在靠近冒口的壁厚上补加倾斜的金属块 26.均衡凝固：利用铸铁件石墨的共晶膨胀消除缩松的工艺方法 27.缩孔与缩松：液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。大而集中的称为锁孔，细小而分散的称为缩松 28.收缩时间分数：铸铁件表观收缩时间与铸件凝固时间的比值 29.补缩量：铸件从浇注系统，冒口抽吸的补缩液量收缩模数：均衡凝固时均衡点的模数 30.复合材料：由有机高分子，无机非金属和金属等几类不同材料人工复合而成的新型材料。它既保留原组分的主要特征，又获得了原组分不具备的优越性能 31.机械加工余量：在铸件加工表面上流出的、准备切削去的金属厚度。 32.冒口补缩通道：末端多了一个散热面，散热快—构成一个朝向冒口而递增的温度梯度；存在平行于轴线的散热表面，形成一个朝向冒口的楔形的补缩通道 33.工艺出品率：铸件质量占铸件及浇注系统（含冒口）质量的比例 34.反重力铸造：指液态金属在与重力方向相反方向力的作用下完成充型，补缩和凝固过程的铸造成型方法 35.离心铸造：指将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下充填型腔并凝固成型的方法
液态金属凝固过程中的传热与传质 摘要：液态金属熔体中传热和传质过程的改变会影响晶体的形核和生长，从而影响凝固组织。本文介绍了液态金属凝固的原理，凝固过程中传热“一热、二迁、三传”的特点，以及凝固过程中的传质及其基本问题。传热与传质的研究方法包括解析法、实验法、数值模拟法等。我国许多研究者对凝固过程中的传热和传质问题进行了研究，高新技术方面热质传递现象的机理和特有规律是今后重点发展的研究领域。 关键词：金属凝固；传热和传质；界面；溶质再分配 在金属的热态成形过程中，常常伴随着金属液的流动、气体的流动、金属件内部和它周围介质间的热量交换和物质转移现象，即动量传输、热量传输和质量传输现象。液态金属熔体中传热和传质过程的改变会影响晶体的形核和生长，从而影响凝固组织[1-2]。因此，只有正确和深入研究金属凝固过程中的传输现象，才能有助于建立正确的凝固过程理论模型。 1 金属凝固过程的传热与传质 1.1 金属凝固过程中的传热 在凝固过程中，伴随着潜热的释放、液相与固相降温放出物理热，定向凝固时，还需外加热源使凝固过程以特定的方式进行，各种热流被及时导出，凝固才能维持。宏观上讲，凝固方式和进程主要是由热流控制的。金属凝固过程的传热特点可以简明的归结为“一热、二迁、三传”[3-5]。 “一热”即在凝固过程中热量的传输是第一重要的，它是金属凝固过程能否进行的驱动力。凝固过程首先是从液体金属传出热量开始的。高温的液体金属浇入温度较低的铸型时，金属所含的热量通过液体金属、已凝固的固体金属、金属-铸型的界面和铸型的热阻而传出。凝固是一个有热源非稳态传热过程。 “二迁”指在金属凝固时存在着两个界面，即固相-液相间界面和金属-铸型间界面，这两个界面随着凝固进程而发生动态迁移，并使得界面上的传热现象变得极为复杂。图1为纯金属浇入铸型后发生的传热模型示意，由图可见在凝固过程中随着固相-液相间界面向液相区域迁移，液态金属逐步变为固态，并在凝固前沿释放出凝固潜热，并随着凝固进程而非线性地变化。在金属凝固过程中，由于金属的凝固收缩和铸型的膨胀，在金属和铸型间形成金属和铸型间的界面，由于接触不完全，它们之间存在着界面热阻。接触情况不断地变化，在一定条件下，会形成一个间隙（也称气隙），因此这里的传热不知是一种简单的传导，而是同时存在微观的对流和辐射传热。 “三传”即金属的凝固过程是一个同时包含动量传输、质量传输和热量传输的三传耦合的三维传热物理过程。在热量传输过程中也同时存在有导热、对流和辐射换热三种传热方式。一个从宏观上看是一维传热的单向凝固的金属，由于凝固过程中的界面现象使传热过程在微观变得非常复杂。当固/液界面是凹凸不平或生长为枝晶状时，在这个凝固前沿上，热总是垂直于这些界面的不同方位从液相传入固相，因而发生微观的三维传热现象。在金属和铸型界面上的传热也不只是一种简单的传导，而是同时存在微观的对流和辐射传热。
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
过冷度对金属凝固的影响 金属材料作为支撑国民生活富裕及安全的基础结构材料而大量使用。随着材料使用方法的多样化，对材料特性的要求也日益严格。因此，利用现代科学技术开发出高质量和高性能的钢铁材料将具有重大的现实意义。 金属的凝固过程对金属的机械性能特点有重大影响，它决定着该零件组织，包括各种相的形态，大小和分布，直接影响到该零件后面的加工处理工艺，间接地影响了工件的加工性能和使用性能。而对于铸件和焊接件来说，结晶过程基本上就决定了它的使用性能和使用寿命，而对尚需进一步加工的铸锭来说，结晶过程既直接影响了它的轧制和锻压工艺性能，又不同程度地影响着其制品的使用性能。因此，研究和控制金属的结晶过程，已成为了提高金属力学性能和工艺性能的重要手段。而金属的结晶过程总是伴随着过冷，可以说研究金属的结晶过程就是相当于研究结晶过程对过冷的控制。 1过冷度的概念 1.1几种过冷定义 过冷：金属理论凝固温度与实际温度之差。即图1中的ΔT。 图1：过冷度 热过冷：金属凝固时所需过冷度完全由传热所提供。仅由熔体实际温度分布决定。 成分过冷：凝固时由于溶质再分配造成固液界面前沿溶质浓度变化，引起理论凝固温度的改变而在液固界面前液相内形成的过冷。这种由固-液界面前方溶质再分配引起的过冷，称为成分过冷。由界面前方的实际温度和液相线温度分布两者共同决定。成分过冷不仅受热扩散的控制，更受溶质扩散的控制。
1.2过冷现象 实验表明纯金属的实际凝固温度Tn总比其熔点Tm低，这种现象叫做过冷。金属实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差，称为过冷度，用△T表示。其大小取决于： 1）液态金属的本性，金属不同，△T也不同； 2）纯度越高，△T越大； 3）冷却速度越快，△T越大。但无论多慢也不能在Tm结晶。 2金属结晶的必要条件 2.1过冷是结晶的必要条件 由热力学规律可知，在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。如果液相的自由能比固相的自由能低，那么金属将自发地从固相转变为液相，即金属发生熔化。如果液相的自由能高于固相的自由能，那么液相将自发地转变为固相，即金属发生结晶，从而使系统的自由能降低，处于更为稳定的状态。结晶过程的驱动力：液相金属和固相金属的自由能之差，即体积自由能的下降就是促进这种转变的驱动力。而结晶的阻力就是其表面能。二者的大小与温度的关系如图2。 图2：液相和固相自由能随温度的变化 低值温度自由能：熵的物理意义是表征系统中原子排列混乱程度的参数。温度升髙，原子的活动能力提高，因而原子排列的混乱程度増加，即熵值增加，系统的自由能也就随着温度的升高而降低。 纯金属液，固两相自由能随温度变化规律：
什么是快速凝固？请说明实现快速凝固的基本条件、满足快速凝固条件的途径以及快速凝固的特点。 答：快速凝固，是指在比常规工艺过程快得多的冷却速率下，合金以极快的速率从液态转变为固态的过程。快速凝固的实质是使受冷合金在一个方向上传热迅速，因而用这些方法做出的材料，均是薄片或细粉。 金属材料快速凝固技术主要包括用于试验研究的液态金属快速冷淬技术和连续生产用的工业快速凝固技术。 实现快速凝固的两个基本条件是： （1）金属熔液必须被分散成液流或液滴，而且至少在一个方向上的尺寸极小，以便散热； （2）必须有能带走热量的冷却介质。 满足上述条件的途径各有三条：熔液可分散成细小液滴、接近圆形断面的细流或极薄的矩形断面液流；散热冷却可借助于气体、液体或固体表面。几乎所有实际的快速凝固工艺都遵循这些途径。图2给出了它们之间的组合，以构成快速凝固生产工艺。其中七种组合是切实可行的工艺。只有薄带状液流与液体和气体冷却介质的组合没有成功，因为在快速流动的流体中要使液流保持矩形断面是极其困难的。
图2快速凝固基本工艺中金属液流和冷却介质间的组合 快速凝固工艺：1.雾化快凝固速度法（RSR）；旋转电极法（REP）。 2.水雾化快速旋转杯法（RSC）。 3.杜瓦兹枪、柱塞/铁砧、鼓喷溅、 电子束喷溅淬冷、控制喷雾沉积（CSD）、喷雾沉积、奥斯普雷（Osprey）。 4.泰勒丝、自由飞行熔液自旋（FFMS）。 5.FFMS、旋转水纺丝。 6.熔液提取、 垂直滴落熔液提取。7.熔液自旋、平面流铸、熔液拖拽、熔液溢流从快速凝固的原理来讲，实现快速凝固的大致有三种基本途径。 1、凝固前施以深度过冷 这种途径是在液态金属凝固以前，温度就下降到低于固相线较多的水平，然后才发生金属的凝固过程。在金属凝固的过程中，要放出潜热，该潜热又要加热凝固中的金属，凝固中金属的温度上升，但不会超过固相线的水平。也可以这么说，凝固潜热完全为凝固中的金属所吸收，不向外界传播，而凝固也快速完成。为达到这种途径快速凝固的目的，开始必须把金属过冷到足够的程度，以致使凝固放热能得到抵消。原则上过冷和凝固金属的体积并没有多大关系，然而实际上，体积大了，冷却工艺进行得就较慢。实践中最大的限制问题是很难做到大型凝固件中没有杂质存在。杂质能起到晶核的作用，从而使过冷的程度受到限制。 2、高拉速连续凝固
第五章 液态金属的传热与凝固方式 1. 试分析铸件在金属型，砂型，保温型中凝固时的传热过程，并讨论在上述几种情况影响传热的限制性环节及温度场的特点。 答： （1）砂型： 2λ 远小于1λ ，铸件冷却缓慢断面上的温差很小，而铸型内表面被铸件加热到很高的温度，而外表面仍处于较低的温度。砂型本身的热物理性质是主要因素（限制环节）。 （2）金属型： a.铸件较厚，涂料较厚。 铸件的冷却和铸型的加热都不十分激烈，大部分温度降在中间层，而铸型和铸件上温度分布均匀。 传热过程主要取决于涂料层的热物理性质。 b.当涂料层很厚时，铸件的冷却和铸型的加热都很激烈，有明显的温度梯度界面热量很小，可忽略。 传热过程取决于铸件、铸型的热物理性质。 （3）保温型： 与砂型情况类似，只是铸型比铸件的冷却更缓慢，铸型界面处温度梯度较大，而外部温度低（接近金属型后涂料）。 2.试应用凝固动态曲线分析铸件的凝固特征，根据铸件的动态凝固曲线能否判断其停止流动的过程。 答： ①某一时刻的各区宽度，L 、L+S 、S 、L+S 宽度分别为，逐层、体积、中间凝固方式。 ②结壳早晚：
停止流动的过程： 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。 3. 试证明铁在熔点浇入铝制容器中，铝型内表明不会熔化。 已知：铁液熔点t 10=1539℃ λ1=23.26()k m w ?，k kg J C ?=9211，3 1kg 6900m =ρ 铝液熔点660℃，λ2=23.26()k m w ?，k kg J C ?=9212，3 kg 6900m =ρ， t 20=20℃。 解：起始边界温度t F 2 120 2101b b t b t b t F ++= ()()c c t p c b p c b 00F 2222111166064.642k 64.9152 .174549.121572092732.1745427315399.121572.17459.12157<==+?++?= ====λλ 不会熔化。 4. 用契福利诺夫定律计算铸件的凝固时间，误差来源于几方面？半径相同的圆柱和球哪个误差大？大铸件与小铸件哪个误差大？金属型和砂型哪个误差大？ 契福利诺夫定律：22 K R =τ 答： ⑴误差来自： ①金属型和接触面是无限大的平面，铸件和铸型的壁厚都是半无限大的; ② 与金属液接触的铸型表面温度浇注后立即达到金属表面温度，且以后保持 结壳晚 结壳早 结壳正常
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。（×）
铸造工艺中液态金属凝固成形的关键问题 液态金属通过冷却凝固最终获得合格的、满足各种使用要求的铸件。山东伊莱特重工跟您一起探讨：以下的关键问题是在生产过程中应予以妥善解决的。 （一）结晶及凝固组织的形成与控制液体金属的结构，晶核的形成与长大，晶粒的大小、方向和形态等与铸件的凝固组织密切相关，它们以铸件的物理性能和力学性能有着重大的影响。控制铸件的凝固组织的目的就是为了获得所希望的组织，欲控制凝固组织，就必须对其形成机理、形成过程和影响因素有全面的了解和深入研究。目前山东伊莱特重工有限公司已建立的有效控制组织的方法有变质、孕育、动态结晶、顺序凝固、快速凝固等。 （二）铸件尺寸精度和表面粗糙度控制现代制造的许多领域，对铸件尺寸精度和外观质量的要求愈来愈高，技术改变着铸造只能提供毛坯的传统观念，其目的在于降低物耗、能耗、工耗，并且改善产品的内外质量，争取市场和高效益。然而，铸件尺寸精度和表面粗糙度由于受到诸多因素（如铸型表面的作用、凝固热应力、凝固收缩等）的影响和制约，控制难度很大。铸件是液态成形的，实现净形化具有独特的优越性，在结构方面铸件的内腔和外形用铸造方法一次成形，使其接近零件的最终形状，使加工和组装工序减至最少；在尺寸精度和表面质量方面，使铸件能接近产品的最终要求，做到无余量或小余量；另一方面，被保留的铸造原始表面有益于保持铸件的耐蚀和耐疲劳等优越性能，从而提高产品寿命。努力提高铸件的尺寸精度和降
低表面粗糙度，推进铸件近净形技术的发展是未来的方向。 （三）铸造缺陷的防止与控制铸造缺陷是造成废品的主要原因，是对铸件质量的严重威胁。由于方方面面的原因，存在于铸件的缺陷五花八门，由于凝固成形时条件的差异，缺陷的种类表现为形态和表现部位不尺相同。如液态金属的凝固收缩会形成缩孔、缩松；凝固期间元素在固相和液相中的再分配会赞成偏析；冷却过程中热应力的集中会造成铸件裂纹和变形。应根据产生的原因和出现的程度不同，采取相应措施加以控制，使之消除或降至最低程度。此外，还有许多缺陷，如有夹杂物、气孔、冷隔等，出现在充填过程中，它们不仅与合金种类有关，而且还与具体成形工艺有关。总之，防止、消除和控制各类。更多问题请百度咨询山东伊莱特重工有限公司。
《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
材料科学基础课程论文金属铸造工艺过程及实际应用 学院名称：材料科学与工程学院 专业班级：复合材料1102 学生姓名：赵明 学号：3110706049 指导教师：张振亚 2014 年6 月
一、简介 金属铸造（metal casting）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。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。 二、分类 金属铸造种类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。金属铸造工艺通常包括： ①铸型（使液态金属成为固态铸件的容器）准备，铸型按所用材料可分为砂型、金属型、陶瓷型、泥型、石墨型等，按使用次数可分为一次性型、半永久型和永久型，铸型准备的优劣是影响铸件质量的主要因素； ②铸造金属的熔化与浇注，铸造金属（铸造合金）主要有铸铁、铸钢和铸造有色合金； ③铸件处理和检验，铸件处理包括清除型芯和铸件表面异物、切除浇冒口、铲磨毛刺和披缝等凸出物以及热处理、整形、防锈处理和粗加工等。 三、工艺过程
铸造生产时，首先要根据铸件的结构特征、技术要求、生产批量、生产条件等因素，确定铸造工艺方案。其主要内容包括浇注位置、分型面、铸造工艺参数（机械加工余量、起模斜度、铸造圆角、收缩率、芯头等）的确定，然后用规定的工艺符号或文字绘制成铸造工艺图。铸造工艺图是指导铸造生产的技术文件，也是验收铸件的主要依据。 一、浇注位置的确定 浇注时铸件在铸型中所处的位置称为浇注位置。铸件的浇注位置对铸件的质量、尺寸精度、造型工艺的难易程度都有很大的影响。通常按下列基本原则确定浇注位置。 (1) 铸件的重要工作面或主要加工面朝下或位于侧面。浇注时金属液中的气体、熔渣及铸型中的砂粒会上浮，有可能使铸件的上部出现气孔、夹渣、砂眼等缺陷，而铸件下部出现缺陷的可能性小，组织较致密。如图所示机床床身的浇注位置，应将导轨面朝下，以保证该重要工作面的质量。如图所示的卷扬筒，其圆周面的质量要求较高，采用立浇方案，可使圆周面 处于侧面，保证质量均匀一致。
凝固原理与铸造技术复习题答案 1、画出纯金属浇入铸型后发生的传热模型示意图，并简要说明其凝固过程的传热特点。 凝固过程的传热有如下一些特点： 简单地说：一热、二迁、三传。 首先它是一个有热源的传热过程。金属凝固时释放的潜热，可以看成是一个热源释放的热，但是金属的凝固潜热，不是在金属全域上同时释放，而只是在不断推进中的凝固前沿上释放。即热源位置在不断地移动；另外，释放的潜热量也随着凝固进程而非线性地变化。一热：有热源的非稳态传热过程，是第一重要的。 二迁：固相、液相间界面和金属铸型间界面，而这二个界面随着凝固进程而发生动态迁移，并使传热现象变得更加复杂。 三传：液态金属的凝固过程是一个同时包含动量传输、质量传输和热量传输的三传（导热、对流和辐射传热）耦合的三维传热物理过程。 其次，在金属凝固时存在着两个界面。即固相、液相间界面和金属铸型间界面，而在这些界面上，通常发生极为复杂的传热现象。 2、一个直径为25cm的长圆柱形铸钢件在砂型和金属型中凝固： (l)当忽略铸件-铸型界面热阻时，它们的凝固时间各为多少？ (2)当铸件-铸型的界面换热系数hi=0.0024J(cm2．s．℃)时，它们的凝固时间各为多少？ 计算用参数如表l -2所示，计算中假定钢水无过热度，并在一个固定的温度Tf 下凝固，同时假定铸型无限厚。
3、对于单元系而言，为什么高温时稳定的同素异性结构具有比低温时稳定的同素异性结构有较高的热焓，即H(γ -Fe)>H (α-Fe)? 4、推导曲率引起的平衡温度改变的计算公式。 除压力外，表面曲率亦对平衡温度产生影响。在凝固时，表面曲率对固相来说相当于增加了一项附加压力，这项附加压力是与界面张力相平衡的。当任一曲面体的体积增加ΔV，面积增加ΔA时，附加压力ΔP与界面张力σ的关系为： 由于曲率引起的平衡温度的改变为：
快速凝固技术国内外发展及其应用 1.快速凝固技术国内外发展 随着对金属凝固技术的重视和深入研究,形成了许多种控制凝固组织的方法,其中快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段,同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域。 快速凝固的概念和技术源于20世纪60年代初Duwez等人的研究，他们发现某些共晶合金在平衡条件下本应生成双相混合物，但当液态合金以足够快的冷却速度凝固合金液滴被气体喷向冷却板时，则可能生成过饱和固溶体、非平衡晶体，更进一步生成非晶体。上述结果稍后被许多研究结果所证实，而且由此发现一些材料具有超常的性能，如电磁、电热、强度和塑性等方面的性能，出现了用于电工、电子等方面的非晶材料。20世纪70年代出现了用快速凝固技术处理的晶态材料，80年代人们逐渐把注意力转向各种常规金属材料的快速凝固制备上，90年代大块非晶合金材料的开发与应用取得重大进展。快速凝固技术是目前冶金工艺和金属材料专业的重要领域，也是研究开发新材料手段。 快速凝固一般指以大于 5 10 ～ 6 10 K/s的冷却速率进行液相凝固成固相，是一种非平衡的 凝固过程，通常生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，使粉末和材料具有特殊的性能和用途。由于凝固过程的快冷、起始形核过冷度大,生长速率高,使固液界面偏离平衡,因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。加快冷却速度和凝固速率所起的组织及结构特征可以近似地用图1来表示。从上图我们不难看出，随着冷却速度的加快，材料的组织及结构发生着显著的变化，可以肯定地说，它也将带来性能上的显著变化[1]。 快速凝固技术得到的合金具有超细的晶粒度，无偏析或少偏析的微晶组织，形成新的亚稳相和高的点缺陷密度等与常规合金不同的组织和结构特征。实现快速凝固的三种途径包括：动力学急冷法；热力学深过冷法；快速定向凝固法。由于凝固过程的快冷，起始形核过冷度大，生长速率高，使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。 1.1快速凝固技术的主要方法 (1)动力学急冷快速凝固技术 动力学急冷快速凝固技术简称熔体急冷技术，其原理可以概括为：设法减小同一时刻凝固的熔体体积与其散热表面积之比，并设法减小熔体与热传导性能很好的冷却介质的界面热阻以
第一章 1金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液态金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。 原因：金属熔化时典型的体积变化?V V m /(多为增大）为3%~5%,金属熔化潜热m H ?比其汽化潜热b H ?小得多，为汽化潜热的1/15~1/30。 2粘度：定义：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dy dv x /的比例系数。dy dv x ητ= 相关数学表达式：)exp(203T k U T k B B τδη= 0τ为原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为s 1310-） 粘度随原子间距δ增大而降低，以3δ成反比。 3运动粘度为动力粘度除以密度，即ρην/=粘度的影响因素：①金属液的粘度η随结合能U 按指数关系增加；②粘度随原子间距δ增大而降低；③η与温度T 的关系受两方面共同制约，但总的趋势随温度T 而下降。 4粘度在材料成型中的意义：①粘度对层流的影响远比对湍流的影响大。在层流情况下的液体流动要比湍流时消耗的能量大。当2300>e R 时，为湍流，当2300 快速凝固理论与技术的研究及应用 摘要快速凝固技术是近年来得到广泛发展和应用的新型材料的制备技术，其特点是具有较高的冷却速率和明显的非平衡效应。本文介绍了快速凝固技术原理、快速凝固得到的组织特征及原因、快速凝固实现方法，并对快速凝固技术在制备镁合金、铝合金、铜合金、金属纳米结构材料中的应用作了详细介绍。快速凝固技术得到的合金具有超细的晶粒度，无偏析或少偏析的微晶组织，新的亚稳相等与常规合金不同的组织和结构特征。 关键词快速凝固；凝固原理；凝固组织；快速凝固实际应用 Research and Application of Rapid Solidification Theory and Technology ABSTRACT Rapid solidification technology is the preparation technology of new materials and it is widely developed and applied in recent years.The characteristic of the rapid solidification technology is high velocity of cooling and obvious non-equilibrium effect. This paper mainly introduce the principle, structure and the realization method of rapid solidification technology. It also introduces the application of rapid solidification technology which is in magnesium alloy, aluminum alloy, copper alloy and metal nano structure material in detail. The alloy obtained by rapid solidification technology has ultrafine grain size, microcrystalline structure of segregation-free or less segregation, new metastable phase that conventional alloys do not possess. These features all owned by it surely play an important influence on the theoretical study and the need in actual production of material science and other subjects. KEY WORDS rapid solidification; theory of solidification; structure of solidification; practical application of rapid solidification 凝固是金属材料生产过程中材料冶金质量控制的关键环节。在金属材料的生产过程中，完成合金液的冶炼之后，首先需要铸造成铸坯，并进行后续的变形加工。铸坯的凝固质量不仅影响后续的加工工艺，而且对最终产品的性能有重要影响。如钢坯中的成分偏析，晶粒粗大等是长期困扰钢材质量控制的难题。快速凝固的出现在很大程度上解决了这一问题，由于凝固速度极快、凝固时间极短、扩散时间短、晶粒长大时间有限，成分偏析、晶粒粗大等问题在一定程度上得到了解决。这对材料科学及其他学科的理论研究以及满足实际生产中的需要起到了重大作用，因此，近些年材料的快速凝固过程引起了人们的极大兴趣[1]。 1 快速凝固原理、组织特征及性能 1.1快速凝固的原理 快速凝固是指通过对合金熔体的快速冷却（≥104~106K/s）或非均质形核的被遏制，使合金在很大的过冷度下，发生高生长速率（≥1~100cm/s）的凝固[2]。 1.2快速凝固的组织特征 快速凝固能改善合金的显微结构，从而能改善合金的综合力学性能。快速凝固由于是非平衡凝固，因此快速凝固的组织特征不同于普通凝固，加决冷却速度和凝固速率所引起的组织及结构特征可以近似地用图1来表示[3]。 1997年6月 沈阳工业学院学报 Vol .16No .2 第16卷第2期 JOURNAL OF SHENYANG INST ITU TE OF T ECH NOLOGY Jun.1997铸造合金凝固过程补缩机理的探讨 李玉海 郭广思 王连琪 王广泰 (沈阳工业学院材料工程系,沈阳110015) 摘 要 建立了描述铸造合金凝固过程补缩机理的数学模型,并应用 数学模型对一些铸造方法的补缩效果进行了比较,表明金属型差压铸造是 补缩能力最强的一种铸件成型方法. 关键词 补缩,数学模型,铸造合金. 分类号 TG245 0 引言 液态金属在凝固过程中的体积收缩是造成铸件内出现缩孔、缩松的根本原因. 对缩孔进行补缩的动力有:液态金属的表面张力,液态金属的压力包括液态金属的静压力和外界的附加压力.阻碍液态金属补缩的力有:补缩液体流向缩孔时的粘性摩擦力,晶间通道的局部阻力,低压和差压铸造中的金属液自重力.在固定的生产条件下,液态金属的体收缩率及结晶潜热无法改变,而其余各因素是制约还是促进补缩,将是本文要探讨的内容. 1 铸件补缩机理的理论分析 以低压和差压铸造为例,探讨由上至下顺序凝固的补缩问题.这涉及到固相骨架基本形成时的状态,如图1所示.在固相骨架形成初期,晶间通道可相互连成一片,且认为凝固过程无偏析存在,即液态金属的表面张力 、密度 及结晶温度间隔 T 均不变.此时,可将补缩过程简化为缝隙层流运动,如图2所示.推动液态金属进行补缩的力F 1为 F 1=B P +2B (1)其中B 、 分别为补缩通道的宽度和厚度.阻碍补缩的力F 2为 F 2= 12 L uB +B L g (2) 式中 u ——液态金属补缩速度[1]; g ——重力加速度; ——液态金属的动力粘度. 《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 铸造缩孔及缩松的形成 在金属的铸造过程中，易产生缩孔和缩松，缩孔和缩松如何识别？缩孔和缩松如何区别？哪些铸造合金容易产生缩松？铸件的凝固过程如果没有合理的控制,铸件易产生缩孔,缩松 一铸件的凝固 1凝固方式: 铸件凝固过程中,其断面上一般分为三个区:1—固相区2—凝固区3—液相区 对凝固区影响较大的是凝固区的宽窄,依此划分凝固方式 逐层凝固:纯金属,共晶成分合金在凝固过程中没有凝固区,断面液,固两相由一条界限清楚分开,随温度下降,固相层不断增加,液相层不断减少,直达中心糊状凝固合金结晶温度范围很宽,在凝固某段时间内,铸件表面不存在固体层,凝固区贯穿整个断面,先糊状,后固化. 中间凝固大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间 2影响铸件凝固方式的因素 合金的结晶温度范围 范围小:凝固区窄,愈倾向于逐层凝固,如:砂型铸造,低碳钢逐层凝固,高碳钢糊状凝固2)铸件的温度梯度 合金结晶温度范围一定时,凝固区宽度取决于铸件内外层的温度梯度.温度梯度愈小,凝固区愈宽.(内外温差大,冷却快,凝固区窄)二合金的收缩 液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中,体积和尺寸减少的现象---.是铸件许多缺陷(缩孔,缩松,裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因. 1收缩的几个阶段 液态收缩:从金属液浇入铸型到开始凝固之前.液态收缩减少的体积与浇注温度质开始凝固的温度的温差成正比.2)凝固收缩:从凝固开始到凝固完毕.同一类 合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大.如:35钢,体积收缩率3.0%,45钢4.3%3)固态收缩:凝固以后到常温.固态收缩影响铸件尺寸,故用线收缩表示. 2影响收缩的因素1)化学成分:铸铁中促进石墨形成的元素增加,收缩减少.如:灰口铁C,Si↑,收↓,S↑收↑.因石墨比容大,体积膨胀,抵销部分凝固收缩.2)浇注温度:温度↑液态收缩↑3)铸件结构与铸型条件铸件在铸型中收缩会受铸型和型芯的阻碍.实际收缩小于自由收缩.∴铸型要有好的退让性. 3缩孔形成 在铸件最后凝固的地方出现一些空洞,集中—缩孔.纯金属,共晶成分易产生缩孔.*产生缩孔的基本原因:铸件在凝固冷却期间,金属的液态及凝固受缩之和远金属凝固理论
铸造合金凝固过程补缩机理的探讨
金属凝固习题答案
铸造缩孔及缩松的形成
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