材料学院研究生会学术部
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2010年11月 材料学院研究生会学术部
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金属凝固原理复习资料
目录
2010年复习资料„„„„„„„„„„„„„3-5
2007年复习资料„„„„„„„„„„„„„6-8
2005年复习资料„„„„„„„„„„„„„9-10
2004年复习资料„„„„„„„„„„„„„11-14 材料学院研究生会学术部
3 2010年金属凝固原理复习重点
一、（15分）
如图所示，Pb-Bi(WBi=20%)合金，在无固相扩散的条件下，试计算凝固后的共晶量。
解：第一阶段，非平衡凝固冷却至184℃，无固相扩散α=0，根据公式4-8：
Cs*=k0C0(1-fs)（k0-1）
其中k0=23/36=0.639，Cs*=23%，C0=20%带入得
fs=0.8
剩余液相1-fs=0.2
第二阶段，发生包晶反应，先算k0’，延长线段L1、L2交于一点A，求A（X,Y）
36-X184-Y=3656184125 ①
33-X184-Y=33-4284-125 ②
联立两方程解得：X=30.545，Y=200.090
故k0’=45.53056545.3042=0.45，
将k0’ =0.45，Cs*=42%-30.545%=11.455%，C0=36%-30.545%=5.455%,带入公式4-8可求得
fs’=0.9392
剩余液相 1- fs’=0.0608
凝固后的共晶量为 0.0608×0.2=0.01216≈0.01
二、试述金属凝固方式，影响因素及其对铸件质量的影响。
答：金属凝固方式分为三种：当时，凝固趋向于逐层凝固，当1tt时，凝固趋向于体积凝固，二者之间，趋向于中间凝固。t为结晶温度间隔，t为结晶开始温度与铸件表面温度差。影响因素：结晶温度范围越小，温度梯度越大，凝固区域越窄，越趋向与逐层凝固。反之，结晶温度范围越大，温度梯度越小，凝固区域越宽，越趋向与体积凝固。对铸件质量的影响：（1）逐层凝固具有良好的充填和补缩条件，产生分散性缩孔的倾向性很小，而是在最后凝固部位形成集中缩孔。如果合理设置冒口，可使缩孔移入冒口，而且在凝固过程中收缩产生的晶间裂纹容易得到金属液补充，使裂纹愈合，故热裂倾向小。（2）体积凝固方式，补缩条件差，形成分散性缩孔，等轴晶粗大，热裂倾向大。（3）中间凝固方式的补缩特性，热裂倾向，充型性能均介于前两者之间。
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。
金属凝固理论
第十一章 液态金属的结构和性质
液态金属的结构和性质
1)原子间仍保持较强的结合能2）近程有序排列3）所有原子集团在不停顿地游动4）存在游动“空穴”5）能量起伏 实际金属的液态结构
实际金属在微观上是由成分和结构不同的游动原子集团、空穴和许多固态、气态或液态的化合物组成，它是一种\混浊\的液体;而从化学键上看，除了基体金属与其合金元素组成的金属键之外，还存在其它多种类型的化学键。总之都要结合具体对象进行分析. 液态金属的遗传性
液态金属的遗传性是炉料的某些特性，经过熔化浇铸后，所得铸件中也具有这种特性，他主要是指铸件的组织和气孔等缺陷与炉料的组织和缺陷有关。随着液态金属的遗传性研究的广泛和深入，它的概念主要体现在以下几个方面:炉料的组织和缺陷对凝固后铸件或毛坯的组织和缺陷有影响、在液态合金中加入合金元素后，改变了合金中元素与元素之间的相互作用，进而影响凝固后铸件或毛坯的组织、液态金属或合金的结构 (如过冷度、净化程度等)不同对凝固后铸件或毛坯的组织有影响，这些影响液态金属或合金熔体结构进而影响凝固后铸件或毛坯的组织与性能称液态金属或合金的遗传性。
第十二章 液态金属的充型能力 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，称为液态金属充填铸型的能力，简称液态金属的充型能力。
流动性：液态金属本身的流动能力，称为“流动性”
区别：固定条件下所测得的合金流动性表示合金的充型能力。因此，可以认为合金的流动性是在确定条件下的充型能力。 影响充型能力的因素 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
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。
凝固理论进展与快速凝固
摘要：本文综述了凝固理论的某些新进展，对高生长速率下的凝固热力学与形核、生长动力学，特别是非平衡溶质分配系数，形核孕育期与相选择，化学成分及熔体热历史对形核机制的影晌，平界面的绝对稳定性，快速的枝晶/胞晶生长以及样品体积内快凝过程的发展等问题给出了定量的表述，文中还指出了对快凝过程进行分析和设计的工作步骤。
关健词：快速凝固，热力学，动力学，形核，晶体生长，相选择
0 前言
在近几十年中，凝固技术的重要进展有：连续铸造的扩大应用；定向凝固与单晶生长技术的完善；半固态(流变)铸造从研究走向了实际应用；通过凝固过程制备重要的新型材料，如复合材料、自生复合材料、梯度材料等；快速凝固技术的出现与应用。快速凝固是通过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，可制备非晶、准晶、微晶和纳米晶合金，此类新型功能或结构材料正在逐步进人工业应用。可见，现代凝固技术的发展不仅致力于获得外形完美、内无宏观缺陷的零件，而且追求在材料中形成常规工艺条件下不可能出现的结构与显微组织特征，使其具备一系列特殊优异的使用性能。从这个意义上说，新凝固技术与新材料的研究和发展已融为一体，最具代表性的例子是快速凝固技术，它的出现和发展直接促进了新一代金属玻璃与微晶、纳米晶合金的形成。
现代凝固技术的研究与应用，迫切要求以液/固相变理论的新成果为指导。在研究对象的尺度上，不局限于宏观的凝固过程的研究，而是要在原子尺度上对移动的液/固界面的行为进行分析。与凝固技术的发展相适应，近年来凝固理论的研究在下列方面取得进展：从传热、传质和固/液界面动力学三个方面对凝固动力学过程给出了不断改进的定量描述；固/液界面形态稳定性理论继续完善，可在低速生长至高速生长的较宽范围内，全面估计界面能、界面曲率、结晶潜热等对晶体形貌及显微结构的影响，提供晶体形态转变的定量判据；大过冷和高生长速率下的凝固热力学和动力学研究不断深入，为合金快速凝固过程的分析和设计提供了依据。
