金属凝固理论 第8章 铸件凝固组织的形成及控制

第一章：铸造凝固组织的形成和控制1.1铸件宏观凝固组织的特征1.1.1特征根据液态金属的成份、铸型的性质、浇注及冷却条件，宏观凝固组织一般包括如下三个部分：表面细晶区，中间柱状晶去，内部等轴晶区。

图：p97 图8-1，b），（1）表面细晶区：紧靠铸型型壁的激冷组织，因此也称激冷区；由无规则的细小等轴晶组成。

特点：非常薄，只有几个晶粒厚。

(2) 中间柱状晶区：紧连细晶区；垂青于型壁（散热方向）；彼此平行排列；断面形状为柱状。

特殊情况：全部是柱状晶区，p97 图8-1，a）（3）内部等轴晶区：各相同性；没有方向性；晶粒尺寸远大于表面细晶区。

特殊情况：全部是等轴晶区：表面细晶区的数量非常小，对工件的整体性能影响不大，而柱状晶区和内部等轴晶区的数量非常大，因此，材料的性能主要取决于这两个相的相对比例。

具体的影响下面再谈。

1.1.2 铸件结晶组织对铸件性能的影响：（1）表面细晶区：特点：晶粒细且没有方向性；性能非常好；非常薄——几个晶粒的厚度:小于1mm。

对铸件性能的影响：对于薄壁铸件：如厚度在4~6mm的铸件，具有一定的意义对于大部分铸件：意义不大，这个厚度所占比例非常小：结论：一般不给与特别重视。

对于特别薄的铸件有一定的意义。

（2）中间柱状晶区：特点：a）晶粒长、粗大、晶界面积小、排列位向一致，b）杂质、非金属夹杂、气体等，一般存在在结晶界面上，特别是最后结晶的界面上。

而在柱状晶区，这些杂质主要存在于柱状晶与柱状晶或柱状晶与等轴晶的界面上，形成性能弱面。

C）进一步的加工，如塑性加工或轧制：在杂质较多的结合界面上产生裂纹。

性能：有方向性；纵向好，横向差；有性能弱面。

结论：一般情况下尽量避免。

特殊情况下充分利用。

举例：高锰钢锤头锤柄。

工况条件，旋转，打击、破碎。

高锰钢成分：Mn=13，C=1.2高锰钢锤头结构及组织示意图性能：韧性非常好，同时加工硬化。

实际生产中遇到的问题：但是浇注出来的铸件，拿锤子一砸就断。

习题第一章晶体学基础1. 在立方点阵中画出下列晶面和晶向：(211)(121)[111][130]。

2. 写出立方晶系中的{123}晶面族所包含的晶面的晶面指数。

3. 画出面心立方晶体中(011)晶面上的原子排列图，在图上标出[111][011][211]晶向。

4. 求面心立方晶体中[112]晶向上的原子间距。

5. 空间点阵与晶体点阵有何区别？试举例说明。

6. 为什么说密排六方点阵不是一种空间点阵？7. 试计算体心立方晶格的{100}、{110}、{111}晶面的原子面密度和<100>、<110>、<111>晶向的原子线密度，并指出其中最密面和最密方向。

8. 作图表示出六方晶系的{101}和{110}晶面族所包括的晶面。

9. 立方晶系的各{111}晶面构成一个八面体，试作图画出该八面体，并注出这些具体晶面的指数。

10. 已知面心立方晶格的晶格常数为a，试求出（100）、（110）和（111）晶面的面间距，并指出面间距最大的晶面。

11. 体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（100）、（110）和（111）晶面的面间距，并指出面间距最大的面。

12. 试用刚球模型证明理想密排六方结构的点阵常数的关系为c/a=1.633。

13. 试证明立方晶系的[111]晶向垂直与（111）面。

14. 试求出立方晶系中[231]晶向与[401]晶向的夹角。

习题第二章纯金属的结晶1. 设晶核为立方体，试求临界晶核边长a*及临界晶核形成功。

2. 固态金属熔化时不需过热。

试对此加以解释。

3. 为什么纯金属小液滴结晶时过冷度较大？为什么铸件厚处比薄处晶粒较粗大？4. 比较在相同结晶条件下均匀形核与非均匀形核的过冷度，指出出现这种差异的原因。

5. 试比较过冷度、动态过冷度及临界过冷度的区别。

6. 分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。

7. 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？8. 试分析单晶体形成的基本条件。

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？。

材料成形金属学第8章材料的组织性能控制材料成形金属学是研究金属材料的成形过程和成形后的组织性能的一门学科。

材料的组织性能对于金属材料的工程应用至关重要，因为它直接影响材料的强度、韧性、塑性、硬度等机械性能，在材料的选择、设计和制造过程中具有重要意义。

在材料成形金属学的第八章中，主要研究材料的组织性能控制，即通过控制材料的组织结构来改善其性能。

一、材料成形过程中的组织变化材料的成形过程中会发生一系列的组织变化，其中最重要的是晶粒细化、凝固组织和析出物的形成。

晶粒细化是通过对材料进行热处理或变形加工来实现的，在晶粒细化过程中，材料的晶粒尺寸会减小，晶界面积增加，从而提高材料的强度。

凝固组织是指材料在凝固过程中形成的组织结构，它对材料的力学性能和耐蚀性能有着重要影响。

析出物是指在材料中形成的第二相，它影响材料的强度和韧性。

二、组织性能的控制方法1.热处理热处理是通过控制材料的加热和冷却过程来改变材料的组织结构和性能的方法。

常见的热处理方法包括退火、固溶处理、时效处理等。

通过热处理可以调节材料的晶粒细化、凝固组织和析出物的形成，从而改善材料的强度、韧性和耐腐蚀性能。

2.变形加工变形加工是通过对材料进行塑性变形来改变其组织结构和性能的方法。

常见的变形加工方法包括冷轧、热轧、挤压、拉伸等。

通过变形加工可以实现材料的晶粒细化、晶粒定向和析出物的形变，从而提高材料的强度和韧性。

3.化学处理化学处理是通过在材料表面形成一层化学膜来改变材料的组织结构和性能的方法。

常见的化学处理方法包括电镀、镀膜、喷涂等。

化学处理可以改善材料的耐腐蚀性能、耐磨性和耐高温性能。

三、组织性能控制的应用组织性能控制在金属材料的设计和制造过程中具有重要意义。

通过合理的组织性能控制可以实现材料对不同工况下的力学、热学和化学性能的要求。

例如，在航空航天工业中，需要制造高强度、高韧性和耐高温的材料，可以通过合适的热处理和变形加工来实现。

在汽车工业中，需要制造具有良好耐腐蚀性和耐磨性的材料，可以通过化学处理来实现。

镇江丹徒职教中心金属液态形成原理复习题第1章液态金属的结构和性质一、判断题（正确的在括号中画√，错误的画×）1、只要金属流动性好，铸件就不会产生浇不足缺陷。

（×）2、金属一熔化，原子间的结合就全部破坏。

（×）3、温度起伏是指铸件各处温度的差异。

（×）4、钠可以很好地吸附于硅的表面，所以说“钠是表面活性元素”。

（×）二、选择题1、影响液态金属粘度的因素主要有温度、化学成分和杂质。

2、在弯曲液面上作用有附加压力，当液面为球形时，该压力可表示为p=2σ/r。

3、温度接近熔点的金属液，其结构类似于固态的结构。

4、液态金属的平均间距比固态稍大 ,其配位数比固态要小。

5、纯金属的表面张力一般随温度的升高而减小，而灰铸铁的表面张力则相反。

6、使用黑烟涂料是为了调整铸型的热阻，从而改变液态金属流动时间以提高充填能力。

三、问答题1、液态金属的表面张力有哪些影响因素？试总结它们的规律。

2、总结温度、原子间距（或体积）、合金元素或微量元素对液体粘度 高低的影响。

第2章液态金属的流动性与充型能力一、判断题1、金属液本身的流动能力称为充型能力。

（×）2、金属液的充型能力仅与金属液的化学成分、温度、杂质含量及物理性质有关。

（×）二、问答题1、影响液态金属充型能力的因素有哪些？如何提高液态金属的充型能力？2、某飞机制造厂的一牌号Al-Mg合金（成分确定）机翼因铸造常出现“浇不足”缺陷而报废，如果你是该厂工程师，请问可采取哪些工艺措施来提高成品率？3、铸型蓄热系数（b）较小时，在其它条件不便的情况下，定性指出对下列项目的影响：2①充型能力②铸件形成机械粘砂③使铸件的断面温度梯度④使铸件凝固方式⑤铸件形成缩松⑥铸件的热应力第3章铸件的凝固一、判断题1、安放冒口一般应遵循顺序凝固原则。

（√）2、铸件的凝固方式主要取决于合金本身特性，与其它条件则影响不大。

（×）（温度梯度）3、金属凝固温度低，铸型蓄热系数也小时，铸件内温度梯度也小。

凝固技术随着科学技术的发展，对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, 其中快速凝固技术，定向凝固技术，均衡凝固技术等已经取得了较快的发展。

这些新兴的凝固技术以其独特的方法在不同的方向都取得了很好的成果。

在金属，无机非金属，高分子材料中都有应用。

快速凝固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。

过去对凝固过程的模拟考虑了在熔融状态下的热传导和凝固过程潜热的释放，不考虑金属在型腔内必然存在的流动以及金属在凝固过程中存在的流动。

目前快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术已开始研究了合金在凝固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实际生活、生产要求的合金。

着重于大的温度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术，正在走向逐步完善的阶段。

快速凝固技术一般指以大于105K/s-106K/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。

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。

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。

快速凝固大致有气枪法，悬铸法，工作表面熔化与自淬火法，雾化法，喷射沉积法等。

气枪法：这种方法的基本原理是将熔解的合金液滴，在高压( >50 atm)惰性气体流(如Ar 或He)的突发冲击作用下，射向用高导热率材料(经常为纯铜)制成的急冷衬底上，由于极薄的液态合金与衬底紧密相贴，因而获得极高的冷却速度( >109℃/S) 。

这样得到的是一块多孔的合金薄膜，其最薄的厚度小于0.5~1.0 μm (冷速达109℃/S)。

旋铸法(chill block melt-spinning)。

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 、0.01μm ，其熔点温度各为多少？已知△H=18058J/mol ，V m =606cm 3/mol ，σ=255×107J/cm 26．（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）。