金属凝固原理思考题
纯金属的凝固习题与答案
纯金属的凝固习题与答案1 说明下列基本概念凝固、结晶、过冷、过冷度、结构起伏、能量起伏、均匀形核、非均匀形核、临界晶核半径、临界晶核形核功、形核率、生长线速度、光滑界面、粗糙界面、动态过冷度、柱状晶、等轴晶、树枝状晶、单晶、非晶态、微晶、液晶。
2 当球状晶核在液相中形成时，系统自由能的变化为σππ23344r G r G V +∆=∆，(1)求临界晶核半径c r ；(2)证明V V c c G A G c ∆-==∆231σ(c V 为临界晶核体积)；(3)说明上式的物理意义。
3 试比较均匀形核与非均匀形核的异同点，说明为什么非均匀形核往往比均匀形核更容易进行。
4 何谓动态过冷度?说明动态过冷度与晶体生长的关系。
在单晶制备时控制动态过冷度的意义？5 分析在负温度梯度下，液态金属结晶出树枝晶的过程。
6 在同样的负温度梯下，为什么Pb 结晶出树枝状晶而Si 的结晶界面却是平整的?7 实际生产中怎样控制铸件的晶粒大小?试举例说明。
8 何谓非晶态金属?简述几种制备非晶态金属的方法。
非晶态金属与晶态金属的结构和性能有什么不同。
9 何谓急冷凝固技术?在急冷条件下会得到哪些不同于一般晶体的组织、结构?能获得何种新材料?. 计算当压力增加到500×105Pa 时锡的熔点的变化，已知在105Pa 下,锡的熔点为505K ，熔化热7196J/mol ，摩尔质量为118.8×10-3kg/mol ，固体锡的体积质量7.30×103kg/m 3，熔化时的体积变化为+2.7%。
2. 考虑在一个大气压下液态铝的凝固，对于不同程度的过冷度，即：ΔT=1，10，100和200℃，计算： (a)临界晶核尺寸；(b)半径为r*的团簇个数；(c)从液态转变到固态时，单位体积的自由能变化ΔGv ； (d)从液态转变到固态时，临界尺寸r*处的自由能的变化 ΔGv 。
铝的熔点T m =993K ，单位体积熔化热ΔH f =1.836×109J/m 3，固液界面自由能γsc =93J/m 2，原子体积V 0=1.66×10-29m 3。
金属固态相变原理习题及解答
第二章1、钢中奥氏体的点阵结构，碳原子可能存在的部位及其在单胞中的最大含量。
奥氏体是碳在γ-Fe中的固溶体，碳原子在γ-Fe点阵中处于Fe原子组成的八面体间隙中心位置，即面心立方晶胞的中心或棱边中点。
八面体间隙：4个2、以共析碳钢为例说明奥氏体的形成过程，并讨论为什么奥氏体全部形成后还会有部分渗碳体未溶解？奥氏体的形成是由四个基本过程所组成：形核、长大、剩余碳化物的溶解和成分均匀化。
按相平衡理论，从Fe-Fe3C相图可以看出，在高于AC1温度，刚刚形成的奥氏体，靠近Cem 的C浓度高于共析成分较少，而靠近F处的C浓度低于共析成分较多（即ES线的斜率较大，GS线的斜率较小）。
所以，在奥氏体刚刚形成时，即F全部消失时，奥氏体的平均C浓度低于共析成分，这就进一步说明，共析钢的P刚刚形成的A的平均碳含量降低，低于共析成分，必然有部分碳化物残留，只有继续加热保温，残留碳化物才能逐渐溶解。
3、合金元素对奥氏体形成的四个阶段有何影响。
钢中添加合金元素并不影响珠光体向奥氏体的转变机制，但影响碳化物的稳定性及碳原子在奥氏体中的扩散系数。
另一方面，多数合金元素在碳化物和基体相中的分布是不均匀的，故合金元素将影响奥氏体的形核与长大、剩余碳化物的溶解、奥氏体成分均匀化的速度。
①通过对碳扩散速度影响奥氏体的形成速度。
②通过改变碳化物稳定性影响奥氏体的形成速度。
③对临界点的影响：Ni、Mn、Cu等降低A1温度；Cr、Mo、Ti、Si、Al、W、V 等升高A1温度。
④通过对原始组织的影响进而影响奥氏体的形成速度：Ni、Mn等往往使珠光体细化，有利于奥氏体的形成。
在其它条件相同的情况下，合金元素在奥氏体中的扩散速度比碳在奥氏体中的扩散速度小100-10000倍。
此外，碳化物形成元素还会减小碳在奥氏体中的扩散速度，这将降低碳的均匀化速度，因此，合金钢均匀化所需时间常常比碳钢长得多。
4、钢在连续加热时珠光体奥氏体转变有何特点。
○1在一定的加热速度围，临界点随加热速度增大而升高。
金属材料学-思考题
金属材料学复习思考题（2014.05）第一章钢的合金化原理1-1 名词解释1）合金元素；2）微合金元素；3）奥氏体形成元素；4）铁素体形成元素；5）原位析出；6）离位析出7）晶界偏聚（内吸附）8）二次硬化9）二次淬火10）回火脆性11）贝氏体淬透性12）微量元素1-2 合金元素中哪些是铁素体形成元素？哪些是奥氏体形成元素？哪些能在α-Fe中形成无限固溶体？哪些能在γ-Fe 中形成无限固溶体？1-3 简述合金元素对铁碳相图的影响。
1-4 简述合金元素对扩大或缩小γ相区的影响，并说明利用此原理在生产中有何意义？1-5 简述合金元素对铁碳相图（如共析碳量、相变温度等）的影响。
1-6 合金元素在钢中的存在状态有哪些形式？1-7 合金元素偏聚的影响因素有哪些？1-8 合金钢中碳化物形成元素（V，Cr，Mo，Mn等）所形成的碳化物基本类型及其相对稳定性。
1-9 为什么合金钢的淬火温度可以适当提高，且有必要提高？1-10 说明主要合金元素（V/Nb/Ti、Mo/W、Cr、Ni、Mn、Si、Al、B等）对过冷奥氏体冷却转变（主要P转变）影响的作用机制。
1-11 合金元素对马氏体转变有何影响？1-12 如何利用合金元素来消除或预防第一次、第二次回火脆性？1-13 如何理解二次硬化与二次淬火两个概念的异同之处？1-14 钢有哪些强化机制？1-15 如何提高钢的韧性？1-16 为什么要提高钢的淬透性？如何提高？第二章工程结构钢2-1 对工程结构钢的基本性能要求是什么？2-2 合金元素在低合金高强度结构钢中的主要作用是什么？为什么考虑采用低碳？2-3 什么是微合金钢？微合金元素在微合金钢中的主要作用有哪些？2-4 V、Nb、Ti这三种微合金元素在低碳（微）合金工程结构钢中，作用有何不同？2-5 针状铁素体钢的合金化、组织和性能特点？2-6 低碳贝氏体钢的合金化有何特点2-7 低碳贝氏体钢的合金化有何特点？2-8 汽车工业用的高强度低合金双相钢，其成分、组织和性能特点是什么？2-9 什么是双相钢？有何主要性能特点？2-10 了解碳素结构钢、低合金高强度钢的钢种及牌号。
金属凝固习题答案
《液态金属成型原理》习题一（第一章 第三章）1. 根据实验现象说明液态金属结构。
描述实际液态金属结构。
实验依据：1）多数金属熔化有约3-5%的体积膨胀,表明原子间距增加1-1.5%；2）熔化时熵增大，表明原子排列混乱程度增加，有序性下降；3）汽化潜热远大于熔化潜热, 比值=15-28，液态结构更接近固态；4）衍射图的特征可以用近程有序概括；仅在几个原子间距范围内，质点的排列与固态相似，排列有序；液态金属结构：液体是原子或分子的均质的、密集的、“短程有序”的随机堆积集合体。
其中既无晶体区域，也无大到足以容纳另一原子的空穴。
与理想结构不同，实际金属含有杂质和合金元素，存在着能量起伏、结实验数据 液体结构定性推论熔化时，约3-5%的体积膨胀。
原子间距增加1-1.5%,排列松散Lb>>Lm 与固态相比，金属原子的结合键破坏很少部分 熔化时熵增大 排列的有序性下降，混乱度增加气、液、固相比较，液态金属结构更接近固态构起伏和成分起伏。
2.估计压力变化10kbar引起的铜的平衡熔点的变化。
已知液体铜的摩尔体积为8.0⨯10-6m3/mol，固态为7.6⨯10-6m3/mol，熔化潜热Lm=13.05kJ/mol，熔点为1085︒C。
41.56K3.推导凝固驱动力的计算公式，指出各符号的意义并说明凝固驱动力的本质。
本质：凝固驱动力是由过冷度提供的，过冷度越大，凝固驱动力越大。
4.在环境压力为100kPa下，在紧靠熔融金属的表面处形成一个直径为2μm的稳定气泡时，设气泡与液体金属的σ=0.84N/m，求气泡的内压力。
P=100kPa +( 2*0.84N/m)/(1*10-6m)=1780kPa5.如何区分固—液界面的微观结构？界面结构判据：Jackson因子α≤2，X=0.5时，∆G=min，粗糙界面；α≥3，X→ 0或1时，∆G=min，光滑界面；6.推导均质形核下临界晶核半径和临界形核功，并说明过冷度对二者的影响7.细化晶粒的目的？选择形核剂时的应遵循哪些原则？目的：增加晶粒数目，降低晶粒尺寸，增大晶界面积。
金属学思考题
思考题
1、设想面心立方多晶体塑性形变的过程。
2、对于面心立方金属，如果外加载荷的方向已知，如何确定它的滑移系？
3、位错滑移的必要条件是什么？位错运动的方向和位错的柏氏矢量及位错线的方向之间有什么关系？
4、什么是形变织构？什么是再结晶织构？两者之间有何异同？
5、加工硬化指数和应变速率敏感常数是否是一个概念？两者之间有何共同点？
6、从宏观性能和微观组织两个方面讨论回复和在结晶过程的区别。
7、影响再结晶组织中晶粒大小的因素有哪些？
8、动态再结晶和静态再结晶有哪些主要的异同？
9、从虚功原理的角度，叙述作用在位错上的力的方向和大小和哪些因素有关。
10、位错应力场和作用在位错上的力在概念上有何不同？位错应变能和什么因素有关？
11、金属强化有哪些途径？叙述这些强化方法的主要机理。
12、细化金属的显微组织有哪些途径？。
金属材料学复习思考题及答案料版
金属材料学复习思考题及答案料版第一章钢的合金化原理1．名词解释1）合金元素: 特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构从而得到一定的物理、化学或机械性能的化学元素。
(常用M来表示) 2）微合金元素: 有些合金元素如V，Nb，Ti, Zr和B等，当其含量只在0.1%左右（如B 0.001%，V 0.2 %）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。
3）奥氏体形成元素:在γ-Fe中有较大的溶解度,且能稳定γ相；如Mn, Ni, Co, C, N, Cu；4）铁素体形成元素: 在α-Fe中有较大的溶解度，且能稳定α相。
如：V，Nb, Ti 等。
5）原位析出: 元素向渗碳体富集，当其浓度超过在合金渗碳体中的溶解度时, 合金渗碳体就在原位转变成特殊碳化物如Cr钢中的Cr：ε-Fe x C→Fe3C→（Fe, Cr）3C→（Cr, Fe）7C3→（Cr, Fe）23C66）离位析出:在回火过程中直接从α相中析出特殊碳化物，同时伴随着渗碳体的溶解，可使HRC 和强度提高（二次硬化效应）。
如 V，Nb, Ti等都属于此类型。
2．合金元素V、Cr、W、Mo、Mn、Co、Ni、Cu、Ti、Al中哪些是铁素体形成元素？哪些是奥氏体形成元素？哪些能在α-Fe中形成无限固溶体？哪些能在γ-Fe 中形成无限固溶体？答：铁素体形成元素：V、Cr、W、Mo、Ti、Al；奥氏体形成元素：Mn、Co、Ni、Cu能在α-Fe中形成无限固溶体：V、Cr；能在γ-Fe 中形成无限固溶体：Mn、Co、Ni3．简述合金元素对扩大或缩小γ相区的影响，并说明利用此原理在生产中有何意义？扩大γ相区：使A3降低，A4升高一般为奥氏体形成元素分为两类：a.开启γ相区：Mn, Ni, Co 与γ-Fe无限互溶.b.扩大γ相区：有C，N，Cu等。
如Fe-C相图，形成的扩大的γ相区，构成了钢的热处理的基础。
（2）缩小γ相区：使A3升高，A4降低。
金属凝固原理复习题答案
金属凝固原理复习题答案一、填空题1. 金属凝固过程中，液态金属转变为固态金属的过程称为__凝固__。
2. 金属凝固时，晶体生长的方式主要有__逐层生长__和__非逐层生长__两种。
3. 金属凝固过程中，晶粒的大小取决于__冷却速度__和__杂质含量__。
4. 金属凝固时，晶界移动的方式主要有__扩散控制__和__界面反应控制__。
5. 金属凝固过程中，冷却速度越快，形成的晶粒越__细小__。
二、选择题1. 金属凝固时，晶粒大小与冷却速度的关系是（C）。
A. 无关B. 正比C. 反比D. 无规律2. 金属凝固过程中，晶界移动的方式中，扩散控制是指（A）。
A. 晶界移动速度取决于原子在晶界上的扩散速度B. 晶界移动速度取决于界面反应速率C. 晶界移动速度取决于冷却速度D. 晶界移动速度取决于晶粒大小3. 金属凝固时，逐层生长和非逐层生长的主要区别在于（B）。
A. 晶粒大小B. 晶体生长方式C. 冷却速度D. 晶界移动方式4. 金属凝固过程中，影响晶粒大小的因素不包括（D）。
A. 冷却速度B. 杂质含量C. 晶种数量D. 金属的熔点三、简答题1. 简述金属凝固过程中的热传导过程。
金属凝固过程中，热量主要通过热传导的方式从固态金属向液态金属传递，直到液态金属完全转变为固态金属。
在这个过程中，金属的冷却速度和热量传递效率对晶粒大小和金属的微观结构有重要影响。
2. 金属凝固时，晶界移动的两种方式有何不同？晶界移动的两种方式，扩散控制和界面反应控制，主要区别在于晶界移动的速率控制因素。
在扩散控制下，晶界移动速度取决于原子在晶界上的扩散速度；而在界面反应控制下，晶界移动速度则取决于界面反应速率。
这两种方式决定了晶体生长的形态和速度，进而影响金属的最终微观结构和性能。
金属凝固原理思考题
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。
3．从最大形核功德角度，解释0/=∆drGd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，纯镍的平衡熔点喂1723K，假设镍的球形试样半径是1cm，1μm、μm，其熔点温度各为多少？已知△H=18058J/mol，Vm=606cm3/mol，σ=255×107J/cm26．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。
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。
9．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。
8．试导出平衡凝固及液相完全混合条件下凝固时T*与fs的关系。
9．Ge-Ga锭中含有Ga10ppm（质量分数），凝固速度R为8×10-3J/s，无对流现象，试绘出凝固后锭长度上的成分分布图，给出最初成分、最后过渡区的长度。
设DL =5×10-5cm2/s, k=10．从溶质再分配的角度出发，解释合金铸件中宏观偏析形成的原因及其影响因素。
12．根据成分过冷理论，阐述工艺和合金两个方面的因素对结晶形貌的影响方式。
13．在揭示铸件内部等轴晶的形成机制和控制铸件凝固组织方面，大野美的实验有何意义。
14．在片层状规则共晶的生长过程中，界面上各组元原子的扩散运动规律及其与生长速度的关系。
15．在长大速度一定的条件下，温度梯度GL是否影响规则共晶的片层间距？原因何在？16．如何认识液态金属的结构特征，液态金属的结构特征对形核有何影响。
17．试分析表面张力和界面张力形成的物理原因及其与物质原子间结合力的关系。
18．证明在相同的过冷度下均质形核时，体积相同的球形晶核与立方形晶核哪种更易形成。
试导出平衡凝固及液相完全混合条件下T*L 与fL的关系。
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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。
3．从最大形核功德角度，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，纯镍的平衡熔点喂1723K，假设镍的球形试样半径是1cm，1μm、μm，其
熔点温度各为多少已知△H=18058J/mol，V
m
=606cm3/mol，σ=255×107J/cm2
6．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。
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。
9．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。
8．试导出平衡凝固及液相完全混合条件下凝固时T*与f
s
的关系。
9．Ge-Ga锭中含有Ga10ppm（质量分数），凝固速度R为8×10-3J/s，无对流现象，试绘出凝
固后锭长度上的成分分布图，给出最初成分、最后过渡区的长度。
设D
L =5×10-5cm2/s, k
=
10．从溶质再分配的角度出发，解释合金铸件中宏观偏析形成的原因及其影响因素。
12．根据成分过冷理论，阐述工艺和合金两个方面的因素对结晶形貌的影响方式。
13．在揭示铸件内部等轴晶的形成机制和控制铸件凝固组织方面，大野美的实验有何意义。
14．在片层状规则共晶的生长过程中，界面上各组元原子的扩散运动规律及其与生长速度的关系。
15．在长大速度一定的条件下，温度梯度G
L
是否影响规则共晶的片层间距原因何在
16．如何认识液态金属的结构特征，液态金属的结构特征对形核有何影响。
17．试分析表面张力和界面张力形成的物理原因及其与物质原子间结合力的关系。
18．证明在相同的过冷度下均质形核时，体积相同的球形晶核与立方形晶核哪种更易形成。
试导出平衡凝固及液相完全混合条件下T*
L 与f
L
的关系。
19。
Al-Cu（w
C
=1%）合金于单向
凝固中生长速度为3×10-4cm/s，完全没有对流（合金相图中C
E =33%（Cu），C
Sm
=%（Cu），
T
m =821K， k
和m
L
常数，D
L
=3×10-5cm2/s. 根据成分过冷判别关系，需要保持平界面前沿
的温度梯度为多少，与稳定态下，液-固界面的温度是多少
19．试述细化铸件凝固组织的途径及其对获得优质铸件的意义。
20．试分析在共晶结晶的过程中，动力学因素对共晶过程和组织有怎样的影响。
21．试述细化铸件凝固组织的途径及其对获得优质铸件的意义。