【资料】金属凝固原理-第四章-(2)汇编

金属凝固原理复习大纲第一篇：金属凝固原理复习大纲金属凝固原理复习大纲绪论1、凝固定义宏观上：物质从液态转变成固态的过程。

微观上：激烈运动的液体原子回复到规则排列的过程。

2、液态金属凝固的实质：原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程液态金属的结构特征：“近程有序”、“远程无序”组成：液态金属是由游动的原子团、空穴或裂纹构成3、液态金属的性质：粘度和表面张力粘度的物理意义：单位接触面积，单位速度梯度下两层液体间的内摩擦力粘度的本质上是原子间的结合力影响液体金属粘度的主要因素是：化学成分、温度和夹杂物表面张力的物理意义：作用于表面单位长度上与表面相切的力，单位N/m影响液体金属表面张力的主要因素是：熔点、温度和溶质元素。

取决于质点间的作用力4、液体结构的特性：近程有序和远程无序晶体:凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列的物质称为晶体。

单晶体:在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体多晶体:大多数金属通常是由位向不同的小单晶（晶粒）组成，属于多晶体。

吸附是液体或气体中某种物质在相界面上产生浓度增高或降低的现象。

金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶当向溶液中加入某种溶质后，使溶液表面自由能降低，并且表面层溶质的浓度大于溶液内部深度，则称该溶质为表面活性物质（或表面活性剂），这样的吸附称为正吸附。

反之，如果加入溶质后，使溶液的表面自由能升高，并且表面层的溶质浓度小于液体内部的浓度，则称该溶质为非表面活性物质（或非表面活性剂），这样的吸附为负吸附第一章凝固过程的传热1、凝固过程的传热特点：“一热、二迁、三传”“一热”指热量的传输是第一重要；“二迁”指存在两个界面，即固－液相间界面和金属－铸型间界面。

“三传”指动量传输、质量传输和热量传输的三传耦合的三维热物理过程。

2、金属型特点：具有很高的导热性能；非金属型铸造特点：与金属相比具有非常小热导率，故凝固速度主要取决于铸型的传热性能。

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。

金属凝固原理
金属凝固原理是物理学中最重要的概念之一，它是指当温度降低到一定程度时，金属内部从液态直接过渡到固态的过程。

这种过程叫做凝固或结晶。

在该过程中，金属内部具有一种特殊的结构，即“金属晶格”。

金属晶格是一种稳定的结构，由许多小空间和原子构成，并且可以承受很大的力。

金属凝固原理是一个相对复杂的概念，涉及到物理学、化学、材料学等多个领域。

它的基本原理是，温度降低时，金属内部产生秩序，原子开始排列形成一种晶格结构，从而使金属变成固态。

金属凝固原理是金属加工工艺中最重要的一环，同时也是材料性能分析的基础。

因此，金属凝固原理的研究和应用对于金属加工工艺的改进和优化具有重要意义。

首先，金属凝固原理的研究依赖于量子力学理论，也就是研究金属晶格中原子的行为。

在量子力学理论的基础上，工程师可以利用计算机模拟金属的凝固过程，进一步探究金属凝固原理。

其次，金属凝固原理的研究也受益于材料科学技术的发展。

如X射线衍射仪（XRD）可以检测金属内部晶格结构的信息，从而更好地理解金属凝固原理。

此外，金属凝固原理的研究也受益于材料工程学的发展。

例如，在实验室中，可以通过不同的温度调节和材料组成，模拟金属凝固过程，以更深入地理解金属凝固原理。

金属凝固原理是物理学、化学、材料学等多个领域的重要内容，其研究对金属加工工艺的改进和优化具有重要意义。

因此，金属凝固原理的研究将会在未来发挥重要作用。

金属凝固原理胡汉起
金属凝固原理是指金属在凝固过程中所发生的物理和
化学现象，包括金属的晶格结构、晶界运动、析晶等方面。

金属凝固原理的研究有助于更好地理解金属材料的性能，并为金属材料的制造、加工和应用提供理论支持。

金属凝固原理的应用主要有以下几方面：
●金属凝固原理可以用来解释金属材料的晶体结构、力
学性能和热学性能等方面的变化。

●金属凝固原理可以用来指导金属材料的制造，例如冶
炼、锻造、压延等工艺。

●金属凝固原理可以用来解释金属材料在经受加载时的
析晶行为。

●金属凝固原理可以用来解释金属材料在经受加载时的
缺陷产生和扩展的机理。

胡汉起（Hans Q. Hu）是著名的金属凝固原理研究学者，他主要研究金属的凝固机制、晶格动力学和晶界微观结构等方面。

胡汉起提出了金属凝固过程中“拉伸-压缩”析晶机制的理论，解释了金属晶体凝固过程中晶界运动的机理。

他还发展了金属凝固原理的多尺度模型，提出了金属析晶过程中晶界微观结构的建模方法。

胡汉起在金属凝固原理研究方面取得了很多成就，其中包括：
对金属晶格动力学的研究：胡汉起提出了金属晶格动力学的基本概念，并给出了金属晶格动力学的模型。

对金属晶界微观结构的研究：胡汉起提出了金属晶界微观结构的模型，并给出了金属晶界微观结构的建模方法。

对金属析晶过程的研究：胡汉起提出了金属析晶过程中晶界运动的机理，并给出了金属析晶过程的多尺度模型。

金属凝固原理复习题部分参考答案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,201()()2(1)m cv 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Ek的表达式，并说明液相中的对流及晶体生长速度对Ek的影响。

若不考虑初始过渡区，什么样的条件下才可能有0sC C*=答：(1)NL s vED C k kCk k eδ*-==+- 可以看出，搅拌对流愈强时，扩散层厚度N δ愈小，故sC*愈小。

生长速度愈大时，sC*愈向C接近。

（1）慢的生长速度和最大的对流时，NL vD 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，NL vD δ》1，E k =1 （3）液相中有对流，但属于部分混合情况时，01E k k <<。

1E k =时，0s 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：0001s qqC 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 ββ=--时，q=1，无宏观偏析。

⾦属凝固第⼀章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雷诺数Re=ηρνDv Dv =（D 为直接，v 为速度，v 为运动粘度）ρνη速层D R f 32e 32== 2.02.00.2092.0e 092.0）速（湍ρνηD R f == 5流动阻⼒越⼤，管道中运输相同体积的液体所消耗的能量就越⼤，或者所所需压⼒差也就越⼤，由此可知，在层流情况下的液体流动要⽐湍流时消耗的能量⼤。

6夹杂物和⽓泡的上浮速度与液体的粘度成反⽐ηρρ2)(92r g v B m -=（m ρ为液体合⾦密度，B ρ为夹杂物或⽓泡密度）下沉m B ρρ-(即杂—液）。

7.压⼒差：对⼀般曲⾯σ)11(21r r p +=?（σ表⾯张⼒）对圆柱形（2r =∞）则p ?=rσ（式中1r r =）对球形（如液滴）（21r r =）则rp σ2=?（式中21r r r ==） 9附加压⼒的意义：铸造过程⾦属液是否侵⼊砂型⽑细管⽽形成粘砂，与表⾯张⼒σ引起的p ?有关，⾦属液与砂型不湿润，有利于防⽌⾦属侵⼊砂型⽑细管⽽形成粘砂，但⽑细管直径D 及⾦属液静压头H 越⼤，越容易产⽣粘砂。

第一章绪论一、金属材料成型方法金属材料成型就是把原来无定型的材料加工成形状满足要求的器件。

塑性成形：金属坯料在外力作用下产生塑性变形，从而获得具有一定几何形状，尺寸和精度，以及服役性能的材料、毛坯或零件的加工方法。

轧制：金属通过旋转的轧辊受到压缩，横断面积减小，长度增加的过程。

挤压：金属在挤压筒中受推力作用从模孔中流出而制取各种断面金属材料的加工方法。

举例：棒、管、型；其它：异型截面。

锻造：锻锤锤击工件产生压缩变形A. 自由锻：金属在上下铁锤及铁砧间受到冲击力或压力而产生塑性变形的加工。

B. 模锻：金属在具有一定形状的锻模膛内受冲击力或压力而产生塑性变形的加工。

举例：飞机大梁，火箭捆挷环等冲压：金属坯料在冲模之间受压产生分离或变形的加工方法。

二、材料成型方法与组织的关系材料成型方法与工件组织有紧密的关系。

如铸造与轧制比，组织在晶粒形状、尺寸和取向方面均有明显差别。

柱状晶缩孔和气孔（收缩及气体逸出引起）非金属夹杂物（卷入）热变形：塑性变形温度高于该金属的再结晶温度。

特征：经过回复和再结晶组织均匀化，塑性好，消除内部缺陷，形成轧制流线/流纹。

冷变形：塑性变形温度低于该金属的再结晶温度。

特征：晶粒沿变形最大的方向伸长，形成纤维组织和形变织构；晶粒间产生碎晶。

金属产生加工硬化现象。

三、金属液态成型（铸造）的发展1、铸造是一门古老而年轻的科学。

根据文献记载和实物考察，证明我国铸造生产技术至少有四千年以上的悠久历史。

可分两大发展阶段：前两千年：以青铜铸造为主，形成灿烂的商周青铜文化。

出土的编钟，铸造精巧、音律准确、音色优美。

后两千年：以铸铁为主。

公元前六世纪，发明了生铁和铸铁技术，制造的生产工具取代了青铜。

铸铁生产工具的使用促进了铸铁强韧化的早期发明。

（1）战国时期，我们的先人已经能够通过石墨化热处理和脱碳热处理获得黑心韧性铸铁和白心可锻铸铁。

（2）西汉时期，铸铁中还出现了球状石墨。

而现代球墨铸铁是英国人1947年研制成功的。