第三章纯金属的凝固

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_TLTrmm∆-=σ2_关系，临界形核功△G K等于____()223316TLTGmmk∆∙=∆σπ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_______________。

第三章纯金属的凝固(一) 填空题1．金属结晶两个密切联系的基本过程是和2 在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为，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。

3．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是4．铸锭和铸件的区别是。

5．液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是6．金属冷却时的结晶过程是一个热过程。

7．液态金属的结构特点为。

8．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，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的，薄铸件的晶粒比厚铸件。

9．过冷度是。

一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越。

(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。

( ) 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。

( )7．金属结晶时，冷却速度愈大，则其结晶后的晶粒愈细。

( )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。

( )13.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。

( )14.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。

( )15.在实际生产中，评定晶粒度方法是在放大100倍条件下，与标准晶粒度级别图作比较，级数越高，晶粒越细。

第三章纯金属的凝固3.1解释下列基本概念及术语结晶与凝固，非晶态金属；近程有序，远程有序，结构起伏，能量起伏；过冷现象，过冷度，理论结晶温度，实际结晶清晰度；均匀形核，非均匀形核；晶胚，晶核，临界晶核，临界形核功；形核率，生长速率；光滑界面，粗糙界面；温度梯度，正温度梯度，负温度梯度；平面状长大，树枝状长大；活性质点，变质处理，晶粒度；细晶区，柱状晶区，(粗)等轴晶区。

3.2什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？3.3 比较说明过冷度，临界过冷度，动态过冷度等概念的区别。

3.4试述结晶相变的热力学条件，动力学条件，能量及结构条件。

3.5若在液体中形成一个半径为r的球形晶核时,临界形核功△Gc与临界晶核体积Vc之间的关系为△Gc=。

3.6铜在20℃和熔点之间的热容可用Cp=22.6+6.27×10 –3TJ/(mol·K)表示，铜的熔化热为13290J/mol，平衡凝固温度为1356K，试求在绝热条件下要有多大过冷度，1mol钢才能完全凝固而温度不回升到熔点。

解释在实际条件下能否达到这样大的过冷度3.7 (1)已知液态纯镍在1.013×105Pa(1个大气压)，过冷度为319℃时发生的均匀形核。

设临界晶核半径为1nm，纯镍的精密仪器点为1726K，熔化热ΔHm=18075J/mol，摩尔体积V=6.6cm3/mol,计算纯镍的液-固界面能和临界形核功。

(2)若要在2045K发生均匀形核，须奖大气压增加到多少？已知凝固时体积变化ΔV=-0.26cm3/mol(1J=9.87×106cm3·Pa)。

3.8试证明：在同样过冷度下均匀形核时，球形晶核较立方晶核更易形成。

3.9分析纯金属生长形态与温度梯度的关系？3.10在同样的负温度梯度下，为什么Pb结晶出树枝状晶，而Si的结晶界面却是平整的3.11液态金属凝固时都需要过冷，那么固态金属熔化是否会出现过热？为什么？3.12简述晶体长大的机制。

第三章二元合金的相结构与结晶3-1 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？答：原因：在纯金属的凝固过程中，在正温度梯度下，固液界面呈平面状生长；当温度梯度为负时，则固液界面呈树枝状生长。

固溶体合金在正温度梯度下凝固时，固液界面能呈树枝状生长的原因是固溶体合金在凝固时，由于异分结晶现象，溶质组元必然会重新分布，导致在固液界面前沿形成溶质的浓度梯度，造成固液界面前沿一定范围内的液相其实际温度低于平衡结晶温度，出现了一个由于成分差别引起的过冷区域。

所以，对于固溶体合金，结晶除了受固液界面温度梯度影响，更主要受成分过冷的影响，从而使固溶体合金在正温度梯度下也能按树枝状生长。

3-2 何谓合金平衡相图，相图能给出任一条件下合金的显微组织吗？答：合金平衡相图是指在平衡条件下合金系中合金的状态与温度、成分间关系的图解，又称为状态图或平衡图。

由上述定义可以看出相图并不能给出任一条件下合金的显微组织，相图只能反映平衡条件下相的平衡。

3-3 有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的W Ni=90%，另一个铸件的W Ni=50%，铸后自然冷却。

问凝固后哪一个铸件的偏析严重？为什么？找出消除偏析的措施。

答：W Ni=50%铸件凝固后偏析严重。

解答此题需找到Cu-Ni合金的二元相图。

原因：固溶体合金结晶属于异分结晶，即所结晶出的固相化学成分与母相并不相同。

由Cu-Ni合金相图可以看出W Ni=50%铸件的固相线和液相线之间的距离大于W Ni=90%铸件，也就是说W Ni=50%铸件溶质Ni的k0（溶质平衡分配系数）高，而且在相图中可以发现Cu-Ni合金铸件Ni的k0是大于1，所以k0越大，则代表先结晶出的固相成分与液相成分的差值越大，也就是偏析越严重。

消除措施：可以采用均匀化退火的方法，将铸件加热至低于固相线100-200℃的温度，进行长时间保温，使偏析元素充分扩散，可达到成分均匀化的目的。