液态成形原理名词解释及简答题

一、名词解释。

过冷度：金属的理论结晶温度和实际结晶温度的差值

均质形核：在没有任何外来的均匀熔体中的形核过程

异质形核：在不均匀的熔体中依靠外来杂质或者型壁面提供的衬底进行形核的过程

异质形核速率的大小和两方面有关，一方面是过冷度的大小，过冷度越大形核速率越快。二是和界面有关界面和夹杂物的特性形态和数量来决定，如果夹杂物的基底和晶核润湿，那么形核速率大。

形核速率：在单位时间单位体积内生成固相核心的数目

液态成型：将液态金属浇入铸型之，凝固后获得具有一定形状和性能的铸件或者铸锭的方法

复合材料：有两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质复合组成一种多相固体

定向凝固：使金属或者合金在熔体中定向生长晶体的方法

溶质再分配系数：凝固过程当中，固相侧溶质质量分数和液相侧溶质质量分数的比值

流动性是确定条件下的充型能力，液态金属本身的流动能力叫做流动性

液态金属的充型能力是指液态金属充满铸型型腔获得完整轮廓清晰的铸件能力

影响充型能力的因素：（1）金属本身的因素包括金属的密度、金属的比热容、金属的结晶潜热、金属的粘度、金属的表面张力、金属的热

导率金属的结晶特点。（2）铸型方面的因素包括铸型的蓄热系数、铸型的温度、铸型的密度、铸型的比热容、铸型的涂料层、铸型的透气性和发气性、铸件的折算厚度（3）浇注方面的因素包括液态金属的浇注温度、液态金属的静压头、浇注系统中的压头总损失和

影响液态金属凝固过程的因素：主要因素是化学成分冷却速度是影响凝固过程的主要工艺因素液态合金的结构和性质以及冶金处理（孕育处理、变质处理、微合金化）等对液态金属的凝固也有重要影响

液态金属凝固过程当中的液体流动主要包括自然对流和强迫对流，自然对流是由于密度差和凝固收缩引起的流动，由密度差引起的对流成为浮力流。凝固过程中由传热。传质和溶质再分配引起液态合金密度的不均匀，密度小的液相上浮，密度大的下沉，称为双扩散对流，凝固以及收缩引起的对流主要主要产生在枝晶之间，强迫对流是由液体受到各种方式的驱动力产生的对流，例如压力头。机械搅动、铸型震动、外加磁场。

铸件的凝固方式：层状凝固方式（动态凝固曲线之间的距离很小的时候）、体积凝固方式（动态凝固曲线之间的距离很大的时候）、中间凝固方式（介于中间情况的时候）、

影响铸件凝固方式的因素有二：一是合金的化学成分，二是铸件断面上的温度梯度。

热力学能障动力学能障：热力学能障是右被迫处于高自由能过度状态下的界面原子产生的他能直接影响系统自由能的大小，动力学能障是由于金属原子穿越界面过程引起的，他与驱动力的大小无关，而仅仅

取决于界面的结构和性质，例如激活自由能。单从热力学条件来看，液相的自由能已经大于固相的自由能，固相为稳定相，相变应该没有能障，但是要想液相原子具有足够的的能量越过高能界面，还需动力学条件，因此液态金属凝固过程中必须克服热力学和动力学两个能障。液态金属在成分、温度、能量、上不是均匀的，即存在成分、能量、结构的三个起伏，正是这三个起伏去克服热力学和动力学能障，使凝固过程能够进行下去。凝固过程当中溶质分配的平衡条件：凝固界面上溶质迁移的平衡、固相液相内部扩散的平衡。

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，固液前沿溶质浓度变化，引起理论凝固温度的改变而在固液界面前液相内形成的过冷，这种由于固液界面前方溶质再分配引起的过冷叫做成分过冷

成分过冷对晶体的外貌有什么影响：无成分过冷平面生长，窄成分过冷胞状生长，较宽成分过冷区柱状树枝晶生长，宽成分过冷区自由树枝晶生长。

就合金的宏观结晶状态而言，平面生长、胞状生长柱状树枝晶生长都属于一种晶体自型壁生核然后由外向内单向延伸的生长方式，称为外生长，而等轴晶是在液体的内部自由生长的，称为内生长。

枝晶距离指的是相邻同次枝晶之间的垂直距离

热过冷完全由热扩散控制，成分过冷不仅由热扩散控制还和溶质扩散相关。

产生成分过冷具备两个条件：固液界面前沿的溶质的富集而引起成分再分配、固液界面前方液相的实际温度分布必须达到一定值。

获得全部柱状晶的条件：激冷铸型形成稳定的凝固层防止晶体游离、提高金属的纯度减小成分过冷缩颈的能力、减少液体的流动，提高浇注温度使晶体游离重熔

厚达铸件获得等轴晶的办法：（1）降低浇注温度，有利于游离晶粒的残余和产生较多的游离晶粒。（2）对金属液进行处理，加入形核剂强化非均质形核。（3）浇注系统的设计应该考虑到低温快速浇注使游离晶粒不重熔（4）使晶体内液体流动，有利于大量游离晶粒的生成。在熔点温度的固态金属变为同温度的液态金属的时候，金属要吸收大量的热量，称为融化潜热

铸锭典型宏观组织的三个晶区及其组成：表面细晶区是紧靠型壁的激冷组织，由无数细小等轴晶组成。中间的柱状晶区由垂直于型壁且彼此平行排列的柱状晶组成。内部的等轴晶区由各向同性的等轴晶组成

影响液体金属粘度的主要因素是化学成分、温度、夹杂物。一般的难容化合物的液体粘度较高，熔点低的共晶成分合金粘度较低。液体的粘度随着温度的升高粘度降低。液态金属中呈固态的非金属夹杂物使液态金属的粘度增加。冶金处理对液态金属的粘度也有一定的影响，如孕育变质晶粒细化处理等。

粘度的实质是原子之间的结合力

影响表面张力的因素：熔点熔点沸点高则表面张力也大。温度表面

张力随着温度的升高而降低。溶质元素溶质元素对表面张力的影响分为两大类一类是使表面张力降低的元素，我们叫这类元素为表面活性元素，其表面含量大于内部含量，我们叫他为正吸附元素另外一类是使表面张力升高的元素，我们叫这类元素为非表面活性元素。其表面含量少于内部含量，称为负吸附元素。 29润湿角在p16

毛细现象是液体对管壁的润湿引起的

半固态合金的优点：对铸型的热腐蚀小，可以对黑色或者其他熔点的合金成型，填充平稳减少气体的卷入提高致密度，可实现自动化可告诉成型。

半固态合金的特性：热容量低于液相，粘度高于液相，填充的时候已经有固相的存在，可与其他材料复合

液体金属在枝晶之间流动的驱动力来自于三方面，一是凝固时的收缩，二是液体化学成分的变化引起的密度变化，三是液体、固体在温度降低冷却收缩时产生的收缩力。

铸件的凝固时间指的是液态金属充满铸型的时刻到凝固完毕所需要的时间，单位时间内凝固层增长的厚度为凝固速度

晶体（纯金属）宏观长大的方式取决于界面前方液体中的的温度分布，即温度梯度，在结晶界面前方存在正温度梯度和负温度梯度，当温度梯度为正的时候晶体以平面方式长大，当温度梯度为负的时候晶体以树枝晶的方式生长。晶体的微观长大方式分为粗糙界面和平整界面

为什么过冷度是液态金属凝固的驱动力？因为只有实际结晶温度低于理论结晶温度，才能满足晶体结晶的热力学条件，过冷度越大固液

两相的自由能相差更大，液态金属结晶的驱动力也更大，结晶速度也越快。

成分过冷区的宽度随着凝固速度的增加而减小，随着扩散系数的增大而增大

溶质再分配不仅由平衡分配系数k0决定还受自身扩散性质的制约，液相中的对流强弱等因素也将影响溶质再分配。

在普通的工业条件下从热力学考虑当非共晶成分的合金较快的冷却到两条液相线所包围的影线区域内时液相内两相达到饱和两相具备了同时析出的条件但是一般总是某一相先析出然后在其表面上析出另外一相于是开始了两相竞争析出的共晶凝固过程

最后获得百分之百的共晶组织。

影响成分过冷的因素有工艺因素和合金本身的因素。工艺因素：液相中温度梯度gl越小成分过冷越大，晶体生长速度越快成分过冷越大。合金本身因素：ml越大即液相线的斜率大、原始成分的c0大液相中溶质扩散系数dl越低、k0>1时候k0越大 k0<1时k0越小则成分过冷越大.上述的工艺因素是可以控制的

规则共晶凝固和非规则共晶凝固的异同规则共晶凝固时候影响其组织形态的因素

规则共晶、非规则共晶、伪共晶组织、片层间距加入生核剂的目的是强化非均质形核，根据生核质点的作用过程，生核剂主要分为以下几种：（1）直接作为外加晶核的生核剂，这种生核剂是与被细化相具有界面共格对应的高熔点物质或者同类金属、非金属碎粒，他们与被

细化的相之间有较小的界面能，润湿角小，作为有效的基底促进自发形核。（2）能生成较高熔点稳定化合物的生核剂，生核剂中的元素能与液态金属中的元素形成较高熔点的稳定化合物，这类化合物与被细化相之间具有界面共格关系和较小的界面能（3）通过在液相当中微区富集使结晶相提前弥散析出形成的生核剂，（4）强成分过冷元素的生核剂，这类元素通过在生长的固液界面前沿的富集，使晶粒根部或者树枝晶分枝根部产生细弱缩颈，易于通过熔体的流动以及冲击而产生晶粒的游离，这类生核剂产生的强成分过冷也能强化界面前沿熔体内部的非均质形核，强成分过冷元素的界面富集对晶体生长有抑制作用，降低晶体的生长速率，也使晶粒细化。

《材料成型原理》试卷A试题与答案

一、铸件形成原理部分（共40分） 1、概念（每小题3分共12分）

(1)过冷度；(2)液态成形；(3)复合材料；(4) 定向凝固；答案：

过冷度：金属的理论结晶温度与实际结晶温度的差，称为过冷度。液态成形：将液态金属浇入铸型后，凝固后获得一定形状和性能的铸件或铸锭的加工法。复合材料：有两种或两种以上物理和化学性质不同的物质复合组成的一种多相固体。定向凝固；定向凝固是使金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。

溶质再分配系数：凝固过程中固－液界面固相侧溶质质量分数与液相中溶质质量分数之比，称为溶质再分配系数。

2、回答下列问题（每小题6分共18分）

（1）影响液态金属凝固过程的因素有哪些？（6分）答案：影响液态金属凝固的过程的主要因素是化学成分；冷却速率是影响凝固过程的主要工艺因素；液态合金的结构和性质等对液态金属的凝固也具有重要影响。

（2）热过冷与成分过冷有什么本质区别？（6分）答案：热过冷完全由热扩散控制。成分过冷由固－液界前方溶质的再分配引起的，成分过冷不仅受热扩散控制，更受溶质扩散控制。（3）简述铸件（锭）典型宏观凝固组织的三个晶区（6分）答案：表面细晶粒区是紧靠型壁的激冷组织，由无规则排列的细小等轴晶组成；中间柱状晶区由垂直于型壁彼此平行排列的柱状晶粒组成；内部等轴晶区由各向同性的等轴晶组成。

3、对于厚大金属型钢锭如何获得细等轴晶组织？（10分）答案：：降低浇注温度，有利于游离晶粒的残存和产生较多的游离晶粒；对金属液处理，向液态金属中添加生核剂，强化非均质形核；浇注系统的设计要考虑到低温快速浇注，使游离晶不重熔；引起铸型内液体流动，游离晶增多，获得等轴晶。

1、解释下列概念（共9分，每小题3分）

液态成形：将液态金属浇入铸型后，凝固后获得一定形状和性能的铸件或铸锭的加工法。

复合材料：有两种或两种以上物理和化学性质不同的物质复合组成的一种多相固体。溶质再分配系数：凝固过程中固－液界面固相侧溶质质量分数与液相中溶质质量分数之比，称为溶质再分配系数。 2、回答下列问题（共16分）

(1) 简述铸锭典型宏观凝固组织的三个晶区及其组成（5分）答案：：表面细晶粒区是紧靠

型壁的激冷组织，由无规则排列的细小等轴晶组成；中间柱状晶区由垂直于型壁彼此平行排列的柱状晶粒组成；内部等轴晶区由各向同性的等轴晶组成。 (2) 产生成分过冷必须具备哪两个条件？（5分）答案：；第一是固－液界面前沿溶质的富

集而引起成分再分配；第二是固－液界面前方液相的实际温度分布，或温度分布梯度GL必须达到一定的值。

(3) 影响液态金属凝固过程的因素有哪些？（6分）答案：：影响液态金属凝固的过程的主

要因素是化学成分；冷却速率是影响凝固过程的主要工艺因素；液态合金的结构和性质等对液态金属的凝固也具有重要影响。

2、厚大铸件（在干砂型中浇注）欲获得细等轴晶组织，应采取哪些措施？（15分）

答案：降低浇注温度，有利于游离晶粒的残存和产生较多的游离晶粒；对金属液处理，向液态金属中添加生核剂，强化非均质形核；浇注系统的设计要考虑到低温快速浇注，使游离晶不重熔；引起铸型内液体流动，游离晶增多，获得等轴晶。

《材料成型原理》试卷A试题与答案

一、铸件形成原理部分（共40分） 1、概念（每小题3分共12分）

(1)过冷度；(2)液态成形；(3)复合材料；(4) 定向凝固；答案：

过冷度：金属的理论结晶温度与实际结晶温度的差，称为过冷度。液态成形：将液态金属浇入铸型后，凝固后获得一定形状和性能的铸件或铸锭的加工法。复合材料：有两种或两种以上物理和化学性质不同的物质复合组成的一种多相固体。定向凝固；定向凝固是使金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。

溶质再分配系数：凝固过程中固－液界面固相侧溶质质量分数与液相中溶质质量分数之比，称为溶质再分配系数。

2、回答下列问题（每小题6分共18分）

（1）影响液态金属凝固过程的因素有哪些？（6分）答案：影响液态金属凝固的过程的主要因素是化学成分；冷却速率是影响凝固过程的主要工艺因素；液态合金的结构和性质等对液态金属的凝固也具有重要影响。

（2）热过冷与成分过冷有什么本质区别？（6分）答案：热过冷完全由热扩散控制。成分过冷由固－液界前方溶质的再分配引起的，成分过冷不仅受热扩散控制，更受溶质扩散控制。（3）简述铸件（锭）典型宏观凝固组织的三个晶区（6分）答案：表面细晶粒区是紧靠型壁的激冷组织，由无规则排列的细小等轴晶组成；中间柱状晶区由垂直于型壁彼此平行排列的柱状晶粒组成；内部等轴晶区由各向同性的等轴晶组成。

3、对于厚大金属型钢锭如何获得细等轴晶组织？（10分）答案：：降低浇注温度，有利于游离晶粒的残存和产生较多的游离晶粒；对金属液处理，向液态金属中添加生核剂，强化非均质形核；浇注系统的设计要考虑到低温快速浇注，使游离晶不重熔；引起铸型内液体流动，游离晶增多，获得等轴晶。

(1) 产生成分过冷必须具备哪两个条件？（5分）答案：；第一是固－液界面前沿溶质的富

集而引起成分再分配；第二是固－液界面前方液相的实际温度分布，或温度分布梯度GL必须达到一定的值。