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=ηρ

νDv 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η

ρρ2

)(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(2

1r r p +=?（σ表面张力）对圆柱形（2r =∞）则p ?=r

σ（式中1r r =）

对球形（如液滴）（21r r =）则r

p 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。gH D c ρσ4= 12液态金属停止流动机理： 1纯金属、共晶成分合金及温度范围很窄的合金，（在金属的过热过量未散失尽以前为纯液态流动，为第一区。金属继续流动，冷的前端在型壁上凝固结壳，而后的金属液是在被加热了的管道中流动，冷却强度下降，为第二区。第三区是未被完全融化而保留下来的一部分固相区，在该区的终点金属液耗尽了过热过量，第四区液相和固相具有相同的温度——结晶温度） 2结晶温度范围很宽的合金，在过热过量未散失尽以前，金属液也可以纯液态流动。温度下降到液相线以下时，液流中析出晶体，顺流前进，并不断长大。液流前端不断与冷的型壁接触，冷却很快，晶粒数量最多，使金属液的粘度增加，流速减慢。当晶粒数量达到某一临界数量时，便结成一个连续的网络。当液流的压力不能克服此网络的阻力时，即发生堵塞而停止流动。

13影响充型能力的因素：1金属性质方面的因素，（对应着纯金属、共晶成分和金属间化合物之处流动性最好，当液流前端的枝晶数量达到某一临界值时15%~20%，金属液就停止流动）2铸型性质方面的因素（金属型的蓄热系数b2是砂型的十倍或数十倍以上），3浇注条件方面的因素，(浇注温度越高、充型压头越大，则液态金属的充型能力越好）4铸件结构方面的因素，（即使在铸件材质、铸件性质及浇注条件相同的情况下，同体积的折算厚度越大，由于与铸型接触的表面积小，散热较缓慢，因而液态金属的充型能力越好)

14提高充型能力：1正确选择合金成分。（调整成分到共晶成分附近，或结晶温度范围小的合金，或者对合金进行变质处理，细化晶粒，改变枝晶形态。

2合理的熔炼工艺（原材料去锈，去污，减少非金属夹杂物和气体。脱氧时先加锰铁，再加硅铁。高温出炉，低温浇注）

1不稳定温度场：不仅在空间上变化并且也随时间变化的温度场。

2热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射。

热传导：在连续介质内部或相互接触的物体之间不发生相对位移而仅依靠分子、原子及自有电子等微观粒子的热运动而产生的热量传输称为热传导。热对流：由流体各质点间的相对位移而引起的热量转移方式称为热对流。热辐射：由于物体内部原子振动而发出的一种电磁波的能量传递。 3铸造过程中液态金属在充型时与铸件间的热量交换以对流为主。

4研究铸件温度场的方法有解析法、数值法、实测法。

5金属型铸型由于具有良好的导热性能，因此铸件的凝固、冷却速度变快。而砂型铸型的导热性能较差，在界面两侧形成了截然不同的温度分布形态。 6铸件的凝固时间：指从液态金属充满型腔后至凝固完毕所需要的时间。 7金属凝固的平方根定律22

K ξτ= K

R =τ（K 为凝固系数，ξ为大平板厚度的一半，R 为铸件的折算厚度也成为模数,t 为凝固时间）

8铸件凝固方式分类：逐层凝固、体积凝固、中间凝固。（低碳钢近于逐层凝固方式，中碳钢为中间凝固方式，而高碳钢近于体积凝固方式）

9铸件凝固方式的影响因素：1合金凝固温度区间的影响。在铸件断面温度梯度相近的情况下，固液两相区的宽度取决于铸件合金的凝固温度区间的大小。 2温度梯度和影响。当温度梯度较大时，固液两相区较窄，合金近于逐层凝固方式凝固；当温度梯度较为平坦时，固液两相区明显加宽，合金近于体积凝固方式。

第三章

1相变驱动力：根据热力学原理，相变是系统自由能由高到低变化的过程，新相与母相的体积自由能之差Gv ?即为相变驱动力。 2Tm

T Hm Gv ??-=?（Hm ?为熔化潜热Tm 平衡凝固点（过冷度T ?越大，Gv ?越大） 3溶质平衡分配系数K0定义：特定温度*T 下固相合金成分浓度*S C 与液相合金

成分浓度*L

C 达到平衡时的比值。 **=L S C C K 0 K0＜1时，K0越小，成分偏析越严重。K0＞1，K0越大，成分偏析越严重。 4均质形核：指形核前液相金属或合金中无外来固相质点，而从液相自身发生形核的过程，亦称“自发形核”。

非均质形核：依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生核过程。

3、5均质形核与非均质形核的形核功、形核半径、形核率的计算（熟记公式）均质形核：①形核半径 ?T

?H T =?-=m m S LS V S LS V G V r σσ22* ②形核功23*

)(316?T ?H T =?m m S LS ho

V G σπ ③形核率 )exp()exp(*KT G KT G C A ?-?-=I 非均质形核：①形核半径 ?T

?H T =?-=m m S LS V S LS he V G V r σσ22* ②形核功 *3*)cos cos 32(41ho he

G G ?+-=?θθ (临界晶核半径*r 与过冷度T ?成反比，即T ?越大（温度越高），则*r 越小） 6更具Jackson 提出的理论，从原子尺度看固—液界面的微观结构可分为两类粗糙界面，光滑界面。Jackson 因子a 可作为液—固微观界面结构的判据：凡a ≤2的物质，晶体表面有一半空缺位置时自由能最低，此时的固—液界面形态被称为粗糙界面，大部分金属属于此类，a>5的物质凝固时界面为光滑面。

7晶体生长方式：1连续生长，2台阶方式生长（①形成二维晶核，②螺型位错

③孪晶面

8晶核很少按二维晶核生长方式进行原因：在小的过冷度下具有光滑界面结构的物质，其生长方式按螺旋位错方式进行，而以二维晶核方式进行生长是不可能的；过冷度很大时，又易于按连续方式生长，这时二维晶核生长方式也是不可能的。

第四章单相及多相合金的结晶（论述与计算）

1、溶质再分配定义：溶质在液固两相重新分配的现象。

2正常偏析方程：)1(000)1(-*-=K s S f C K C )1(00-*=K L L f C C

2、凝固过程中溶质再分配包括：平衡条件下的溶质再分配、固相无扩散而液相充分混合均匀的溶质再分配、固相中无扩散而液相中只有有限扩散的溶质再分配、液相中部分混合的溶质再分配四种。

3、共晶成分所占比例的计算：Scheil 公式（66P ）

)1(0*)

1(00*00)1(--=-=K L L K S S f C C f C K C

4、成分过冷的定义：凝固过程的溶质再分配引起姑爷界面前言的溶质富集，导致界面前沿熔体液相线的改变而可能产生所谓的“成分过冷”。

5、成分过冷的判据：0

00)1(K K D C m R G L L L -< 6、有助于形成“成分过冷”的因素：① 液相中温度梯度L G 小，即温度场不陡；②晶体生长速度快（R 大）；③液相线斜率L m 大；④原始成分浓度0C 高;⑤液相中溶质扩散系数L D 低；⑥大时，小；时，000011K K K K ><。

7、随“成分过冷”程度的增大，固溶体生长方式由无“成分过冷”时的“平面晶”依次发展为：胞状晶→柱状树枝晶→内部等轴晶（自由树枝晶）。

8、胞状晶形成过程：成分过冷一旦使平面晶界面破坏显微组织就会出现胞状晶

9、柱状树枝晶的形成过程：对于溶质量少的或凝固温度范围很宽的合金，其晶体生长形貌为主干上长出短而密的二次分枝，这样不断分枝的结果，在成分过冷区迅速形成了柱状树枝晶的骨架。

10、等轴晶的形成过程：当固液界面前方成分过冷的最大值大于熔体中非均质生核最有效衬底大量生核多需要的时间，在柱状树枝晶由外向内生长的同时，界面前方这部分熔体将发生大量的生核，导致许多独立的晶体在过冷熔体中的自由生长，形成方向各异、但各生长方向尺度相近的等轴树枝晶。

11、外生生长：由外向内单向延伸的生长方式称为外生生长。

12、内生生长：等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式称为内生生长。

13、共晶组织分为以下三种情况：①共晶成分的合金，在冷却速度较快时，不一定能得到100%的共晶组织，而是得到亚共晶或过共晶组织；②有些非共晶成分的合金，在冷却速度较快时反而得到100%的共晶组织；③有些非共晶成分的合金，在一定的冷却速度下，既不出现100%的共晶组织，也不出现初晶+共晶的情况，而是出现“离异共晶”。

14、非共生生长的共晶结晶方式称为离异生长。

15、出现离异共晶组织的原因：①由于系统本身的原因：合金成分偏离共晶点很远，初晶相长得很大，共晶成分的残留液体很少，类似于薄膜分布于枝晶之间。共晶转变时，一相就在初晶相的枝晶上继续长出，而把另一相单独留在枝晶间；

②由另一相的生核困难所引起：即另一相不能以初生相为衬底而生核，或因液体过冷倾向大而使该相析出受阻时，初生相就继续长大而把另一相留在枝晶间。16、成片状共晶组织的形核及长大：见教材

P最后一段。

17、如果一相的体积分数小于π

1时，该相将以棒状结构出现；如果体积分数在1π之间时，两相均以片状结构出现。

第五章铸件宏观组织及其控制

1、内部等轴晶的形成机理：“成分过冷”理论、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论、枝晶熔断及结晶雨理论

2、“脖颈”及其影响：溶质的偏析使晶体与型壁的交汇处熔点降低，从而使此处发生局部重熔而产生“脖颈”。其影响为：①具有“脖颈”的晶体不易沿型壁方向与其相邻晶体连接形成凝固壳；②在浇注过程和凝固初期存在的对流容易冲断“脖颈”，使晶体脱落并游离出去。

3、为获得并细化等轴晶组织可采取的措施有：（选择、判断、填空）

⑴合理地控制浇注工艺和冷却条件：浇注工艺方面：①降低浇注温度；②改变浇注方式--强化对流；冷却条件方面：采用小的温度梯度和高的冷却速度。

⑵孕育处理：（定义）在浇注之前或浇注过程中向液态金属中添加少量物质（孕育剂）以达到细化晶粒、改善宏观组织目的的一种工艺方法。

⑶动力学细化：（定义）采用机械力或电磁力引起固相和液相的相对运动，导致枝晶的破碎或与铸型分离，在液相中形成大量结晶核心，达到细化晶粒的目的。

常用方法有：铸型振动、超声波振动、液相搅拌、流变铸造。

第六章特殊条件下的凝固与成型

1、快速凝固：（定义）采用激冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。

2、快速凝固使金属发生的结构变化有：①形成超细组织；②形成过饱和固溶体；③形成亚稳相或新的结晶相；④形成微晶、纳米晶或金属玻璃。

3、快速凝固的方法：激冷技术和大过冷技术。液滴技术、旋转技术、表面融化。

4、定向凝固的应用范围：定向凝固技术在共晶凝固、定向柱状晶生长和单晶铸造等方面有重要意义。

第十一章凝固缺陷及控制之偏析

1、偏析：（定义）合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀现象称为偏析。铸造中的成分偏析是不可避免的。

2、偏析的分类：按范围不同可分为：微观偏析和宏观偏析；按位置不同可分为：晶内偏析和晶界偏析。

3、偏析对铸件使用性能的影响：偏析对合金的力学性能、切削加工性能、抗裂性能及耐蚀性有着不同程度的损害；但偏析现象可以净化或提纯金属。

4、晶内偏析：（定义）在一个晶粒内出现的成分不均匀现象。

5、晶内偏析的程度一般用偏析系数01k 来衡量。它取决于①合金相图的形状②偏析元素的扩散能力③冷却条件。

6、晶内偏析的危害：①使晶粒内部成分不均匀，导致合金的力学性能降低（塑性及韧性的降低）；②引起合金化学性能不均匀，是合金的耐蚀性下降。防止途径：使溶质充分扩散；措施：均匀化退火。

7、晶界偏析：（定义）在合金凝固过程中，溶质元素和非金属夹杂物常富集于晶界，使晶界与晶内的化学成分出现差异的现象。

8、晶界偏析的两种情况：两个晶粒并排生长，晶界平行于晶体生长方向；两个晶粒相对生长，彼此相遇而形成晶界。

9、晶界偏析的危害：既能降低合金的塑韧性和高温性能，又能增加热裂纹倾向。消除方法：细化晶粒，均匀化退火。

10、宏观偏析的分类：正常偏析、逆偏析、V 形偏析、逆V 形偏析、带状偏析、

层状偏析、重力偏析、区域偏析。

11、正常偏析随着偏析系数的增大而增大。正常偏析使铸件性能不均匀，在随后的加工和处理过程中难以根本消除。利用溶质的正常偏析，可对金属进行精炼提纯（区熔法）。

12、逆偏析：10 k 时，铸件表面或底部含溶质元素较多，而中心部位或上部含溶质较少的现象。

13、逆偏析的形成特点：结晶温度范围宽的固溶体合金和粗大的树枝晶易产生逆偏析。缓慢冷却时，逆偏析程度增加。

14、防止逆偏析的措施：向合金中添加细化晶粒的元素；减少合金的含气量。

15、V 形偏析和逆V 形偏析常出现在大型铸锭中，一般呈锥形，偏析带中含有较高的硫和磷等杂质。

16、降低铸锭的冷却速度则枝晶粗大，液体沿枝晶间的流动阻力减小，促进富集液的流动均会增加V 形偏析和逆V 形偏析的倾向。

17、带状偏析是由于固-液界面前沿液相中存在溶质富集层且晶体生长速度发生变化的缘故。其形成特点是：总是和凝固的液-固界面相平行。

18、重力偏析是由于重力作用而出现的化学成分不均匀现象。通常产生于金属凝固前和刚刚开始凝固之际。

19、防止和减轻重力偏析的方法有：①加快铸件的冷却速度，缩短合金处于液相的时间，使初生相来不及上浮和下沉；②加入能阻碍初晶沉浮的合金元素；③浇注前对液态合金充分搅拌，尽量降低合金的浇注温度和浇注速度。

第十一章凝固缺陷及控制之气孔

1、气孔：（定义）气体在金属中的含量超过其溶解度，或侵入的气体不被金属溶解时，会以分子状态的气泡存在于液态金属中。（来源）若凝固前气泡来不及排出，就会在金属内形成孔洞。（产生条件）这种因气体分子聚集而产生的孔洞称为气孔。（状态）

2、气孔的分类：按来源不同分为析出性气孔、侵入性气孔、反应性气孔；按种类不同分为氢气孔、氮气孔和一氧化碳气孔。

a) 析出性气孔：（定义）液态金属在冷却凝固过程中，因气体溶解度下降，

析出的气体来不及逸出而产生的气孔。主要有：氢气孔和氮气孔。

3、侵入性气孔：（定义）铸型和型芯等在液态金属高温作用下产生的气体侵入金属内部所形成的气孔。

4、反应性气孔：（定义）液态金属内部或与铸型之间发生化学反应而产生的气孔。

5、气孔形成机理：

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6、析出性气孔形成机理与防止措施：液态金属含气量较多时，随着温度下降溶解度降低，气体析出压力增大，当大于界面压力时便形成气泡，气泡如来不记浮出液面，便残留在金属中形成气孔。

措施：1消除气体来源 2采用合理的工艺 3对液态金属进行除气处理

4组织液态金属内气体的析出。

7、侵入性气孔的形成机理及防止措施：侵入性气孔主要是由铸型或砂芯在液态金属高温作用下产生的气体侵入到液态金属内部形成的。

措施：1控制侵入性气体的来源 2控制砂型的透气性和紧实性 3提高砂型和砂芯的排气功能 4适当提高浇注温度 5提高液态金属的熔炼质量。

第十一章凝固缺陷及控制之夹杂物

1、夹杂物：（定义）指金属内部和表面存在的和基本金属成分不同的物质。

2、夹杂物的来源：①原材料本身含有的夹杂物；②金属熔炼时处理过程中产生的夹杂物；③液态金属与炉衬接触时产生的夹杂物；④金属表面与空气接触形成的表面氧化膜；⑤金属与非金属元素发生化学反应而产生的各种夹杂物。

3、排出液态金属中一次夹杂物的途径：①加熔化剂在液态金属表面覆盖一层能吸收上浮夹杂物的熔剂；②过滤法使液态金属通过过滤器以去除夹杂物；③排出和减少液态金属中的气体的方法，如合金液静置处理，浮游法净化，真空浇注。

4、防止和减少二次氧化物的途径：①正确选择合金成分，严格控制易氧化的合金含量；②采取合理的浇注系统及浇注工艺，保持液态金属充型过程平稳流动；

③严格控制铸型水分，防止铸型内产生氧化性气氛；④在液态金属表面加入溶剂，促使氧化物夹杂的排出，保护型内金属表面不被氧化；⑤对高要求的重要零件或易氧化的合金，可以在真空或保护性气氛下浇注。

第十一章凝固缺陷及控制之缩松与缩孔

1、容积大而集中的孔洞称为缩孔；细小而分散的孔洞称为缩松。

2、收缩：金属在液态、凝固态和固态冷却过程中发生的体积减小现象。

3、缩松与缩孔的形成机理：

缩孔：纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围窄的合金，在一般铸造条件下按由表及里逐层凝固的方式凝固。由于金属或合金在冷却过程中发生的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，从而在铸件最后凝固的部位形成尺寸较大的集中缩孔. 缩松：结晶温度范围内较宽的合金一般按照体积凝固的方式凝固。由于凝固区域较宽，凝固区内的小晶体很容易发展成为发达的树枝晶。当固相达到一定数量形成晶体骨架时，尚未凝固的液态金属便被分割成一个个互不相通的小熔池。也随后的冷却过程中，小熔池内的液体将发生液态收缩和凝固收缩，已凝固的金属则发生固态收缩。由于熔池金属的液态收缩和凝固收缩之和大于其固态收缩，两者之差引起的细小孔洞又得不到外部液体的补充，因而在相应部位形成了分散性的细小缩孔，即缩松。

4、灰铸铁共晶团中的片状石墨与枝晶间的共晶液体直接接触，大大降低了灰铸铁产生补缩的严重程度，这就是灰铸铁所谓的“自补缩能力”。

5、影响缩松与缩孔的因素：①金属的性质金属的液态收缩系数V α液和凝固收缩

率V ε液越大，缩松与缩孔容积越大。金属的固态收缩系数V α固越大，缩孔与缩松

容积越小；②铸型条件铸型的激冷能力越大，缩孔及缩松容积就越大；③浇注条件浇注温度越高，金属的液态收缩越大，缩孔容积就越大；浇注速度越缓慢，浇注时间越长，缩孔容积就越小；④铸件尺寸铸件壁厚越大，表面层凝固后内部的金属液温度就越高，液态收缩就越大，缩孔与缩松的容积就越大；⑤补缩压力凝固过程中，增加补缩压力，可减小缩松而增加缩孔的容积。

6、防止缩松与缩孔的途径：①通过凝固工艺原则的选择（顺序凝固还是同时凝固）加以控制；

7、顺序凝固：（定义）采取各种措施，保证铸件各部分按照距离冒口的远近，由远及近朝着冒口方向凝固，冒口本身最后凝固的凝固原则。

8、同时凝固：（定义）采取工艺措施保证铸件各部分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时凝固的原则。

9、控制缩松与缩孔的工艺措施：①调整液态金属的浇注温度和浇注速度，可加强顺序凝固或同时凝固；②采用高温慢浇工艺能增加铸件的纵向温差，有利于实现顺序凝固原则；③通过多个内浇道低温快浇可减小纵向温差，有利于实现同时

凝固原则；④使用冒口、补贴和冷铁可有效防止缩松与缩孔的产生；⑤冷铁和补贴与冒口配合使用。

9、缩孔特点：集中在铸件的上部和最后凝固的部位；铸件厚壁处、两壁相交处及内浇口附近等凝固较晚或凝固缓慢的部位（称为热节），也常出现缩孔

缩松的特点：

●缩松多出现于结晶温度范围较宽的合金中；

●显微缩松一般出现在枝晶间和分枝之间；

●常分布在缩孔附近或铸件厚壁的中心部位；

第十一章凝固缺陷及控制之热裂纹

1、裂纹：（定义）在应力与致脆因素的共同作用下，使材料的原子结合遭到破坏，在形成新界面时产生的缝隙称为裂纹。

2、热裂纹的分类：凝固裂纹、液化裂纹、高温失延裂纹。

3、凝固裂纹：（定义）金属凝固结晶的末期，在固相线附近，因晶间残存液膜所造成的晶间开裂现象，也称为晶间裂纹。其特征是：断口具有沿晶间液膜分离的特征，裂纹表面无金属光泽。

4、液化裂纹：（定义）焊接时近缝区或焊缝层间金属由于过热，晶间可能出现液化现象，因而也会出现由于晶间液膜分离而导致的开裂现象。特征是断口上可看到局部有树枝状突起。

5、高温失延裂纹：（定义）焊接时金属冷却到固相线以下所产生的晶间断裂现象。特征是断口粗糙不光滑。

6、凝固裂纹的形成机理：随着温度的降低，晶体不断增多且不断长大，进入固液阶段后多数液态金属已凝固成晶体，此时塑性变形的基本特点是晶体间的相互移动，形变将集中于液膜所在的晶间，使之成为薄弱的环节，此时若存在足够大的拉伸应力，最终形成凝固裂纹。

7、影响热裂纹形成的因素：冶金因素①裂纹倾向随凝固温度区的增大而增大；

②合金元素尤其是易形成低熔点共晶的杂质是影响热裂纹产生的重要因素；③晶粒越粗大，产生热裂纹的倾向就越大；工艺因素①浇注温度根据铸件的壁厚来选择，薄壁铸件要求较高的浇注温度，使凝固速度缓慢均匀，减少热裂纹倾向；②浇注薄壁件时浇注速度应较快，浇注厚壁件时速度应较慢。③铸件厚薄不均时，各处的冷却速度不同，较厚部分凝固晚，收缩应力易集中于此处而导致。④铸件成型时受到的阻力越小，形成热裂纹的可能性越小。

8、防止热裂纹的措施：冶金措施①限制有害杂质熔炼时用合成渣处理钢液，可降低钢中硫和氧的含量；②微合金化和变质处理加入合金元素，细化晶粒，减少非金属夹杂；③改进工艺改进脱氧工艺，提高脱氧效果，减少晶界的氧化物夹杂；④改善金属组织；⑤利用“愈合”作用；铸造工艺措施：①减小铸件的缩松应力，如增加铸型和型芯的退让性、预热铸型，在铸型和型芯表面刷涂料等，可降低热裂纹倾向；②改进浇注方法，设置合理的浇道数量，控制浇注速度等，以控制铸件的冷却速度，使铸件各部分的温度相对均匀；③设计合理的铸件结构，避免直角或十字交叉的截面。

第1章液态金属的结构与性质

1.液体原子的分布特征为远程无序、近程有序，即液态金属原子团的结构更类似于固态金属。

2影响液态金属表面张力的主要因素是熔点，温度，原子间结合力。

3.影响液态金属充型能力的因素可归纳为合金本身性质、铸型性质、浇注方面、铸件结构方面四个方面的因素。

4.影响液态金属黏度的因素有合金成分、温度、非金属夹杂物。

5.合金流动性：合金本身的流动能力；

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。

6.表面张力：表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。

7.粘度表达式：dy

dv x =η，雷诺数：ηυρνυD D R e == 8钢液对铸型不浸润，θ＝180°，铸型砂粒间的间隙为0.1cm ，钢液在1520℃时的表面张力σ=1.5N/m ，密度ρ液＝7500kg/m 3。求产生机械粘砂的临界压力；欲

使钢液不粘入铸型而产生机械粘砂，所允许的压头H 值是多少？解：产生机械粘砂的临界压力：2/r ρσ= 显然：10.10.05 cm 2r =?= 则 421.56000 P a 0.510

ρ-?==? 不产生机械粘砂所允许的压头为：6000/0.08 m 750010

H g ρρ=?=?液（）= 1. 根据Stokes 公式计算钢液中非金属夹杂物MnO 的上浮速度，已知钢液温度为1500℃，η＝0.0049N.s/m 2, ρ液=7500kg/m 3，ρMnO =5400 kg/m 3,MnO 呈球行，其半径r ＝0.1mm 。

解：由Stokes 公式，上浮速度为：2122()9r g v ρρη

-= 式中：r 为球形杂质半径，ρ1为液态金属密度，ρ2为杂质密度，η

为液态金属粘度

所以，上浮速度为：

32320.110(750054009.89.3310 m/s 90.0049

v -????==??－（）－）第2章液态成形中的流动与传热

1.铸件的凝固方式可以分为逐层凝固、体积凝固和中间凝固三种不同形式，影响合金凝固方式的两个主要因素是：合金凝固温度区间和温度梯度。

2.合金的凝固温度区间越大，液态合金充型过程中流动性越差，铸件越容易呈体积（或糊状）凝固方式。

8. 影响铸件凝固方式的因素是什么？凝固方式与铸造性能和铸件质量之间有什么关系？

答：1)影响铸件凝固方式的因素:结晶温度范围和温度梯度；

2)a 逐层凝固：集中缩孔大，易补缩，铸件较致密；热裂倾向小；流动性好。所以，铸件质量好。 b 体积凝固：不易补缩，易形成缩松；流动性差；热裂倾向

大；铸件不致密，性能较差。 c 中间凝固：介于以上两者之间

第三章作业思考题

1、溶质平衡分配系数K 0=**L

s C C 2、凡属α ＞5的物质凝固时界面为光滑面α ＜2的物质凝固时界面为粗糙界面

4、晶体长大方式：粗糙面的界面结构为连续长大方式，光滑界面结构为依靠台阶向侧面长大。故又称“侧面长大”。

“侧面长大” 方式的三种机制

（1）二维晶核机制：台阶在界面铺满后即消失，要进一步长大仍须再产生二维晶核；（2）螺旋位错机制：这种螺旋位错台阶在生长过程中不会消失；

（3）孪晶面机制：长大过程中沟槽可保持下去，长大不断地进行。

第四章作业思考题

1、平衡凝固条件下的溶质再分配凝固终了时，固相成分均匀地为: CS = C 0

2、液相充分混合均匀时的溶质再分配凝固过程中固－液界面上的成分为（Scheil 公式）：

计算题

3、液相中只有有限扩散时形成“成分过冷”的判据

下列条件有助于形成“成分过冷”：液相中温度梯度小（G L 小）；晶体生长速度快，R 大；m L 大，即陡的液相线斜率；原始成分浓度高，C 0大；液相中溶质扩散系数 D L 低； K 0＜1 时，K 0 小；K 0＞1 时，K 0 大

4、随“成分过冷”程度增大，固溶体生长方式：平面晶、胞状晶、胞状树枝晶(柱状树枝晶)、内部等轴晶(自由树枝晶)

5、较宽成分过冷作用下的枝晶生长

随界面前成分过冷区逐渐加宽→胞晶凸起伸向熔体更远处→胞状晶择优方向生长→胞状晶的横断面出现凸缘→短小的锯齿状“二次枝晶”（胞状树枝晶） **L C C α解：（1）平衡分配系数K 的求解：

由于液相线及固相线均为直线不同温度和浓度下K 为定值，所

以：当T=500℃时，

K =0.5 K 即为所求 α相与液相之间的平衡分配系数. )1(000)1(-*

-=K S S f C K C )1(00-*=K L L f C C 0

00L )1(＜R G K K D C m L L -?

6、为什么成为树枝晶的形态

晶体的表面总是由界面能较小的晶面组成，宽而平的面是界面能小的晶面，而棱与角的狭面为界面能大的晶面。界面能大的晶面（垂直）生长速度较快，长成等轴树枝晶。

7、晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式，称为“外生生长”。等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为“内生生长”。

8、离异共晶分“晶间偏析型”和“晕圈型”两种类型。

“晶间偏析型“的原因：合金成分偏离共晶点很远，初晶相长得很大；另一相不能以初生相为衬底而生核

9、层片状共晶组织的形核及长大过程

10、棒状共晶生长的条件一相的体积分数小于1／π或第三组元在两相中的平衡分配系数相差较大

第六章作业思考题

1、快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。

2、快速凝固的目的：形成超细组织、过饱和固溶体、亚稳相或新的结晶相、微晶、纳米晶或金属玻璃

3、快速凝固的分类：急冷凝固技术、大过冷凝固技术

4、深过冷法核心是: 消除合金液中的异质形核核心。

5、深过冷法包括：熔融玻璃净化法、悬浮熔炼法。

6、急冷凝固技术处理方法有哪些？

激冷技术包括：①液滴技术（雾化技术）：把金属或合金熔体分散成小液滴；②旋转技术（模冷技术）：使液流保持一个很小的截面，并与高效冷却器接触；③表面熔化技术：使材料的一个薄层快速熔化并与无限大散热器紧密接触。

7、失重条件下材料的凝固实验在地面上可以通过落塔和落管技术得到

8、定向凝固的合金柱状晶粒结构使得材料沿凝固方向的抗蠕变和抗热疲劳特性明显提高，这种技术常用于制造具有柱状晶结构或单晶的发动机叶片。

1、复合材料：由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。 2 在复合材料中又将其组分称为基体和增强物

3、复合材料按基体的性质可分为金属基复合材料、树脂基复合材料和陶瓷基复合材料。

4、金属基复合材料的分：金属基自生复合材料、金属基人工复合材料

金属凝固

第一章液态金属的结构和性质凝固：物质从液态转变成固态的相变过程。液态金属凝固学就是研究液态金属转变成固态金属这一过程的理论和技术。包括定性和定量地研究其内在联系和规律；研究新的凝固技术和工艺以提高金属材料的性能或开发新的金属材料成型工艺。物质从液态转变成固态的过程就是凝固。这是从宏观上的定义。从微观上看，可以定义为物质原子或分子从较为激烈运动的状态转变为规则排列的状态的过程。液态金属的热物理性质 1.体积变化金属熔化，由固体变成液体时，比容仅增加3%～5%。 2．潜热熔化潜热一般只有升华热的3%～7%，即熔化时原子间的结合能仅减小了百分之几。液态金属的结构特征１）组成：液态金属是由游动的原子团、空穴或裂纹构成。２）特征：“近程有序”、“远程无序”原子间能量不均匀性，存在能量起伏。原子团是时聚时散，存在结构起伏。同一种元素在不同原子团中的分布量，存在成分起伏。金属由液态转变为固态的凝结过程，实质上就是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程，从这个意义上理解，金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变均属于结晶过程。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。液态金属的性质1、粘度（二）粘度在材料成形过程中的意义 1．对液态金属净化的影响2．对液态合金流动阻力的影响3．对凝固过程中液态合金对流的影响 2、表面张力——液体的物性参数（一）表面张力是质点（分子、原子等）间作用力不平衡引起的。这就是液珠存在的原因。当外界所做的功仅用来抵抗表面张力而使系统表面积增大时，该功的大小则等于系统自由能的增量。影响液态金属界面张力的因素主要有熔点、温度和溶质元素。金属在凝固过程中强烈搅拌后，即使在较高固相体积分数时，半固态金属仍只有相当低的剪切应力，枝晶被打碎，生成球状微粒结构，具有流变性和触变性，并冠以半固态金属加工技术（Semi-Solid Metal Forming），即SSM。金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌，或者控制固—液态温度区间，得到一种液态金属母液中均匀悬浮一定固相组分的固液混合浆料，这种半固态金属浆料具有流变特性，即半固态金属浆料具有很好的流动性，易于通过普通加工方法制成产品，采用这种既非完全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，就称为半固态金属加工技术。 1. 应用范围广泛，凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工，适用于铸造、挤压、锻压和焊接等多种加工工艺。 2. SSM充形平稳，无湍流和喷溅，加工温度低，凝固收缩小，铸件尺寸精度高，凝固时间短，提高生产率。 3.半固态合金已释放了部分结晶潜热，减轻了对模具等成形装置的热冲击，大幅度提高其寿命。 4.SSM成形件表面平整光滑，铸件内部组织致密，晶粒小，气孔、偏析等缺陷少，力学性能高，接近或达到变形材料。 5.改善制备复合材料中非金属材料的漂浮、偏析和与基体金属不润湿性的技术难题，为复合材料的制备和成形提供有利条件。 6.与固态金属模锻相比，SSM流变应力显著降低，SSM模锻成形速度高，可以成形十分复

金属凝固原理复习资料

金属凝固原理复习题部分参考答案（杨连锋2009年1月） 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, 2 01()()2 (1)m c v 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E k 的表达式，并说明液相中的对流及晶体生长速度对E k 的影响。若不考虑初始过渡区，什么样的条件下才可能有0s C C * = 答：0 00 (1)N L s v E D C k k C k k e δ*- = = +- 可以看出，搅拌对流愈强时，扩散层厚度N δ愈小，故s C * 愈小。生长速度愈大时，s C * 愈向0C 接近。（1）慢的生长速度和最大的对流时，N L v D 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，N L v D δ》1，E k =1 （3）液相中有对流，但属于部分混合情况时，0 1E k k <<。1E k =时，0 s 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：0 1s q q C 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 β β =- -时，q=1，无宏观偏析。0s C C >时，对于01k <的合金来说，为正偏析，此时 1p u v β β >- -。0s C C <时，对于01k <的合金来说，为负偏析，此时 1p u v β β <- -。五解：用2m m m m r m m k r T V T V T H H σσ?=- ?=- ? ??计算

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σππ233 44r 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 ?- ==?2 31 σ(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。 3. (a)已知液态纯镍在1.1013×105Pa(1个大气压)，过冷度为319℃时发生均匀形核。设临界晶核半径为1nm ，纯镍的熔点为

(完整word版)第三章__纯金属的凝固答案

第三章纯金属的凝固本章主要内容：液态金属的结构；金属结晶过程：金属结晶的条件，过冷，热力学分析，结构条件晶核的形成：均匀形核：能量分析，临界晶核，形核功，形核率，非均匀形核：形核功，形核率晶体的长大：动态过冷度（晶体长大的条件），固液界面微观结构，晶体长大机制，晶体长大形态：温度梯度，平面长大，树枝状长大、结晶理论的应用实例：铸锭晶粒度的控制，单晶制备，定向凝固，非晶态金属一、填空 1..在液态金属中进行均质形核时，需要__结构_起伏和____能量起伏。 1.金属凝固的必要条件是__________过冷度和能量起伏_____________。 2.细化铸锭晶粒的基本方法是：（1）___控制过冷度_，（2）___变质处理__，（3）____振动、搅拌等____。 5、形成临界晶核时体积自由能的减小只能补偿新增表面能的____2/3____。 6、液态金属均质形核时，体系自由能的变化包括（体积自由能）和（表面自由能）两部分，其中__表面_____ 自由能是形核的阻力，____体积___自由能是形核的动力；临界晶核半径r K与过冷度△T呈__反比_ T L T r m m ? - = σ2 _ 关系，临界形核功△G K等于____ ()2 2 3 3 16 T L T G m m k? ? = ? σ π 表面能的1/3___。 7 动态过冷度是______晶核长大时固液界面（前沿）的过冷度___。 8 在工厂生产条件下，过冷度增大，则临界晶核半径__减小___，金属结晶冷却速度越快，N/G比值___越大_____，晶粒越细_小。 9 制备单晶的基本原理是__保证一个晶核形成并长大__，主要方法有____尖端成核法和___垂直提拉法。 10. 获得非晶合金的基本方法是_____快速冷却___________。 11 铸锭典型的三层组织是______细晶粒区________, ___柱状晶区____, _____等轴晶区____。 12 纯金属凝固时，其临界晶核半径的大小、晶粒大小主要决定于_______过冷度_______________。 14 液态金属凝固时，异质形核需要的过冷度比均质形核小，这是因为_异质形核时固相质点可作为晶核长大，其临界形核功较小。 15、液态金属凝固过程中晶体长大的方式有（垂直长大方式）和（横向长大方式），其中大多数金属采用（垂直长大方式）方式长大。二、名词解释过冷度，临界晶核，临界晶核半径，自发形核，结构起伏、能量起伏，形核功，形核率，变质处理，异质形核，非晶态金属、光滑界面、粗糙界面、温度梯度、三、判断 1 纯金属中含有少量杂质在热力学上是稳定的。（√） 2 临界半径r K大小仅与过冷度有关。（×）

纯金属的凝固

第三章纯金属的凝固 1名词解释过冷度，临界晶核，临界晶核半径，自发形核，能量起伏，形核功，形核率，变质处理，柱状晶带，等轴晶，异质形核，非晶态金属 2判断 1 纯金属中含有少量杂质在热力学上是稳定的。（） 2 临界半径r K 大小仅与过冷度有关。（） 3 液态金属凝固时，临界晶核半径与过冷度成反比。（） 4 在液态金属中形成临界晶核时，体系自由能的变化为零。（） 5 任何温度下液态金属中出现最大结构起伏是晶胚。（） 6 任何过冷度下液态金属中出现的最大结构起伏却是晶核。（） 7 湿润角θ =180e时，异质形核最容易进行。（） 8 枝臂间距是指相邻两树枝晶一次轴之间的距离。（） 9 为了细化晶粒，工艺上采用增大过冷度的方法，这只对小件或薄件有效，而对较大厚壁铸件并不适用。（） 10 从非均匀形核计算公式：A 非均匀=A 均匀（2-3cosθ+cos3θ）/4看出当θ=00时固相杂质相当于现成的大晶核。（） 11 理论凝固温度与固/液界面处温度之差，称为动态过冷度。（） 12 动态过冷度是指结晶过程中实际液相温度熔点之差。（） 13 液态金属结晶时，其临界晶粒半径rK是不变的恒定值。（） 14液态金属结晶时，其理论结晶温度与固/液界面处温度之差称为临界过冷度。（） 3问答 1 根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。 2 试根据凝固理论，分析通常铸锭组织的特点。 3 试说明在铸锭中获得细等轴晶组织可以采取的措施。 4 回答液态金属凝固时均质形核的有关问题：（1）写出临界晶核半径γ k 的表达式；（2）画出γ k 与过冷度?T的关系曲线示意图；（3）写出形核功?G k 与临界晶核界面能的关系式；

金属凝固理论重点总结

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。（3）V形偏析和逆V形偏析：常出现在大型铸锭中，一般呈锥形，偏析中含有较高的碳以及硫和磷等杂质。（4）带状偏析：它总是和凝固的固-液界面相平行。（5）重力偏析：由于重力的作用而出现化学成分不均匀的现象，常产生于金属凝固前和刚刚开始凝固之际。枝晶偏析：由于固溶体合金多按枝晶方式生长，分支本身分支与分支间的成分是不均匀的，故称为~。 12.正偏析：指溶质含量高于其平均溶质含量的区域 13.负偏析：降低该区的溶质浓度，使该区C5降低，产生的偏析。（溶质含量低于其平均溶质含量的区域） 14.重力偏析：由于沿垂直方向逐层凝固而产生的正常偏析和固液相之间或互不相容的液相之间有的密度不同，在凝固过程中发生沉浮现象造成的。 15.过热度：指金属熔点与液态金属温度之差。 16.过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度

纯金属凝固部分课后习题

习题 6-1 计算当压力增加到500×105Pa时锡的熔点变化，已知在105Pa下，锡的熔点为505K，熔化热为7196J/mol，摩尔质量为118.8×10-3kg/mol，固体锡的密度为7.30×103kg/m3，熔化时的体积变化为+2.7%。 6-2 根据下列条件建立单元系相图： ①组元A在固态有两种结构A 1和A 2 ，且密度A 2 ＞A 1 ＞液体； ②A 1转变到A 2 的温度随压力增加而降低； ③A 1 相在低温是稳定相； ④固体在其本身的蒸气压1333Pa(10mmHg)下的熔点是8.2℃； ⑤在1.013×105Pa(1个大气压)下沸点是90℃； ⑥A 1，A 2 和液体在1.013×106Pa(10个大气压)下及40℃时三相共存(假设升温相变△H＜0)。 6-3 考虑在1个大气压下液态铝的凝固，对于不同程度的过冷度，即△T=1，10，100和200℃，计算： ①临界晶核尺寸； ②半径为r*的晶核个数； ③从液态转变到固态时，单位体积的自由能变化△G V ； ④从液态转变到固态时，临界尺寸r*处的自由能的变化△G r *(形核功)。铝的熔点T m =993K，单位体积熔化热L m =1.836×109J/m3，固液界面比表面能 δ=93×10-3J/m2，原子体积V0=1.66×10-29m3。 6-4 ①已知液态纯镍在1.013×105Pa(1个大气压)，过冷度为319℃时发生均匀形核。设临界晶核半径为1nm，纯镍的熔点为1726K，熔化热 L m =18075J/mol，摩尔体积V=6.6cm3/mol，计算纯镍的液一固界面能和临界形核功。 ②若要在2045K发生均匀形核，须将大气压增加到多少?已知凝固时体积变化△V=-0.26cm3/mol(1J=9.87×106cm3·Pa)。 6-5 纯金属的均匀形核率可用下式表示：式中，A≈1035；；△G*为临界形核功；k为玻尔兹曼常数，其值为1.38×10-23J/K。 ①假设过冷度△T分别为20℃和200℃，界面能σ=2×10-5/cm2，熔化热 △H m =12600J/mol，熔点T m =1000K，摩尔体积V=6cm3/mol，计算均匀形核率N。 ②若为非均匀形核，晶核与杂质的接触角θ=60°，则如何变化?△T为多少? ③导出r*与△T的关系式，计算r*=1nm时的。 6-6 试证明：在同样过冷度下均匀形核时，球形晶核较立方晶核更易形成。 6-7 证明：任意形状晶核的临界晶核形核功△G*与临界晶核体积V*的关系：

金属凝固学课程考试试题(个人整理版)

河南科技大学 2014级硕士研究生课程考试试题一、名词解释（每个3分，共30分） (1)共晶团；（2)小晶面相；（3)均质形核；（4)生长过冷度；（5)溶质平衡分配系数； (6)临界晶核；（7)等轴枝晶；（8)成分过冷；（9)溶质再分配；（10)形核速率二、问答题（每题5分，共10分） 1.铸造铝硅合金变质处理，可以使共晶硅相细化和钝化，但只能使初生硅相细化，而不能改变其形态，为什么？ 2.凝固过程中晶体的生长方式有哪些？不同生长方式的长大速度与生长过冷度的关系是怎样的？三、计算分析题（每题10分，共20分） 1.在成分为含GalOppm的Ge-Ga熔液中生长Ge-Ga晶体，对流边界层厚δ=0.005厘米，设液相扩散系数D L=5×10-5厘米2/秒,溶质分配系数k=0.1，凝固速度为8×10-3厘米/秒。问凝固到50%时形成的固相成分为多少？试绘制出凝固后沿锭子轴向的成分分布图。 2.通过热分析实验测得某共晶Zn-Al合金试样从开始结晶到结晶结束的时间为2s,对该试样进行定量金相统计，得到共晶团最大直径为0.22mm，层片间距为0.0023mm。另有一共晶Zn-Al合金试样，由于冷却速度太快，在热分析实验所得的冷却曲线上分辨不出试样开始结晶和结晶结束的时刻，但对该试样进行定量金相统计，得到共晶团最大直径为0.05mm, 层片间距为0.0005mm，试推算该试样从开始结晶到结晶结束的时间（Zn-Al合金中的共晶组织为“非小晶面相一非小晶面相”共晶四、综述题（每人选做一题，不能同题，40分） 1.查阅文献资料，综述有关液态金属结构的理论与实验结果。 2.查阅文献资料，综述有关金属液固相变物理机制的研究成果。 3.论述形核的热力学原理，以此为基础阐述孕育剂的作用。 4.解析形核的动力学规律，以此为基础阐述孕育剂的作用。 5.论述决定小晶面与非小晶面两种生长方式的热力学原理，以此为基础阐述变质剂改变晶体生长方式的机理。 6.论述影响小晶面与非小晶面两种生长方式的动力学因素，以此为基础阐述变质剂改变晶体生长方式的机理。 7.论述晶体生长方式及其长大速度，对二维形核生长方式的长大速度进行物理数学解析。 8.论述铸铁中石墨相的生长方式，以及变质处理改变石墨相形态的物理机制。 9.论述铸造铝硅合金中硅相的生长方式，以及变质处理改变硅相形态的物理机制。 10.试推导固相无扩散，液相均匀混合情况下球形晶生长的溶质再分配解析式。

金属凝固理论答案

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？。答：一般在体积相同的情况下上述物体的表面积大小依次为：A 球t 块>t 板>t 杆。 5. 在砂型中浇铸尺寸为300?300?20 mm 的纯铝板。设铸型的初始温度为20℃，浇注后瞬间铸件-铸型界面温度立即升至纯铝熔点660℃，且在铸件凝固期间保持不变。浇铸温度为纯铝 212 1200 2700 6.5?10-5 3.9?105 砂型 0.739 1840 1600 2.5?10-7 试求：（1）根据平方根定律计算不同时刻铸件凝固层厚度s,并作出曲线；（2）分别用“平方根定律”及“折算厚度法则”计算铸件的完全凝固时间，并分析差别。解：(1) 代入相关已知数解得： 2222ρλc b ==1475 ，

金属凝固原理(全)

《金属凝固理论》期末复习题一、是非判断题 1 金属由固态变为液态时熵值的增加远远大于金属由室温加热至熔点时熵值的增加。(错） 2 格拉晓夫准则数大表明液态合金的对流强度较小。(错） 3 其它条件相同时，凹形基底的夹杂物不如凸形基底的夹杂物对促进形核有效。(错） 4 大的成分过冷及强形核能力的形核剂有利于等轴晶的形成。（对） 5 大多数非小平面-小平面共晶合金的共晶共生区呈现非对称型。（对） 6 根据相变动力学理论，液态原子变成固态原子必须克服界面能。（对） 7 具有糊状凝固方式的合金容易产生分散缩孔。（对） 8.金属熔体的黏度与金属的熔点相类似，本质都是反映质点间（原子间）结合力大小。（对） 9. 以熔体中某一参考原子作为坐标原点，径向分布函数表示距参考原子r处找到其他原子的几率。(错） 10. 液态金属中在3-4个原子直径的范围内呈一有序排列状态，但在更大范围内，原子间呈无序状态。（对） 11. 金属熔体的黏度越大，杂质留在铸件中的可能性就越大。（对） 12. 半固态金属在成型过程中遵循的流变特性，主要满足宾汉体的流变特性（对） 13. 在砂型中，低碳钢的凝固方式是体积凝固。(错） 14. 铸型具有一定的发气能力，会导致型腔气体反压增大，充型能力下降。（对） 15. 晶体生长的驱动力是固液两相的体积自由能差值。（对） 16. 绝大多数金属或合金的生长是二维晶核生长机理。(错） 17. Fe-Fe3C共晶合金结晶的领先相是奥氏体。(错） 18. 铸件中的每一个晶粒都代表着一个独立的形核过程，而铸件结晶组织的形成则是这些晶核就地生长的结果。(错） 19. 型壁附近熔体内部的大量形核只是表面细晶粒区形成的必要条件，而抑制铸件形成稳定的凝固壳层则为其充分条件. （对） 20.对于薄壁铸件，选择蓄热系数小的铸型有利于获得细等轴晶。(错） 21.处理温度越高，孕育衰退越快。因此在保证孕育剂均匀溶解的前提下，应尽量降低处理温度。（对） 22. 铸铁中产生的石墨漂浮属于逆偏析。(错） 23.湿型铸造的阀体铸件件皮下形成的内表面光滑的气孔，其形成原因主要是砂型的发气量大、透气性不足。（对）二、名词解释 1.黏度：是熔体在不同层面上存在相对运动时才表现出来的一种物理性能，其本质反映的是质点间的结合力大小。 2.金属遗传性：指在结构上，由原始炉料通过熔体阶段向铸造合金的信息传递，具体表现在原始炉料通过熔体阶段对合金零件凝固组织，力学性能及凝固缺陷的影响。 3.半固态铸造：指在金属的凝固过程中，对金属施加剧烈的搅拌或扰动、或改变金属的热状态、或加入晶粒细化剂、或进行快速凝固，即改变初生固相的形核和长大过程，得到的一种液态金属熔体中均匀地悬浮着一定球状初生固相的固液混合浆料，然后利用其进行成型的工艺。 4. 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 5.非均质形核：指在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型壁界面提供的衬底进行形核的过程 6. 临界形核半径：由金属学可知，只有大于临界半径的晶胚才可以作为晶核稳定存在，此

金属凝固

1. 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。 2.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： 3.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： 4．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？答：影响。因为温度梯度影响界面前沿的成分过冷。随着温度梯度的减小，界面前沿成分过冷增加，共晶生长界面容易失稳。当有较小的成分过冷区时，平面生长就被破坏，界面某些地方的凸起进一步凸向液体，但因成分过冷区小，凸起部分不可能有较大伸展，于是形成胞状组织；当成分过冷区很大时，凸起部分就继续向过冷相中生长，同时在侧面产生分枝，形成二次轴，在二次轴上再长出三次轴，于是形成树枝状组织。成分过冷更大时，可能导致共晶体在胞状晶或树枝晶尖端前沿液相内大量形核，从而转变为等轴晶。 5．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。答：1、表面张力液体内部的分子和分子间几乎是紧挨着的，分子间经常保持平衡距离，稍远一些就相吸，稍近一些就相斥。但液面上层气体分子间距相对来说超大，它对液面液体分子不存在斥力，这就导致一些液体表面上有些不规则运动的液体分子冲破液体分子之间的引力，变成水蒸气，这样液面就会变得分子稀薄，数目一少，分子间距就大了，这些液面分子之间的引力就占主导，即所谓的液体表面张力，方向沿表面。向系统中加入异类原子能削弱系统原子间的结合能，结果导致表面能降低；一定温度下，原子间的结合力越大，表面内能越大，表面自由能越高；表面能还与晶面有关，晶面为密排面时表面内能小。总之，原子间的结合力大的物质，其熔点和沸点越高，其表面张力也越大。 2、界面张力

材料科学基础习题库第章凝固

第三章纯金属的凝固 (一) 填空题 1．金属结晶两个密切联系的基本过程是和 2 在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为，通常把金属从一种结构的固态向另一种结构的固态的转变称为。 3．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是 4．铸锭和铸件的区别是。 5．液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是 6．金属冷却时的结晶过程是一个热过程。 7．液态金属的结构特点为。 8．如果其他条件相同，则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的，薄铸件的晶粒比厚铸件。 9．过冷度是。一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越。 (二) 判断题 1 凡是由液态金属冷却结晶的过程都可分为两个阶段。即先形核，形核停止以后，便发生长大，使晶粒充满整个容积。 2．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。 3．近代研究表明：液态金属的结构与固态金属比较接近，而与气态相差较远。 ( ) 4．金属由液态转变成固态的过程，是由近程有序排列向远程有序排列转变的过程。( ) 5．当纯金属结晶时，形核率随过冷度的增加而不断增加。 ( ) 6．在结晶过程中，当晶核成长时，晶核的长大速度随过冷度的增大而增大，但当过冷度很大时，晶核的长大速度则很快减小。( ) 7．金属结晶时，冷却速度愈大，则其结晶后的晶粒愈细。( ) 8．所有相变的基本过程都是形核和核长大的过程。( ) 9．在其它条件相同时，金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的铸件晶粒更细 ( ) 10．在其它条件相同时，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的铸件晶粒更细。( ) 11．在其它条件相同时，铸成薄件的晶粒比铸成厚件的晶粒更细。( ) 12. 金属的理论结晶温度总是高于实际结晶温度。( ) 13.在实际生产条件下，金属凝固时的过冷度都很小(<20℃)，其主要原因是由于非均匀形核的结果。 ( ) 14.过冷是结晶的必要条件，无论过冷度大小，均能保证结晶过程得以进行。 ( ) 15.在实际生产中，评定晶粒度方法是在放大100倍条件下，与标准晶粒度级别图作比较，级数越高，晶粒越细。 ( ) 16.在任何温度下，液态金属中出现的相起伏都是晶胚。（） 17.在过冷的液态金属中，凡是出现大于或等于临界晶核的晶胚都是晶核。（）

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

金属凝固习题

1 1 回答液态金属凝固时均匀形核的有关问题： (1)形核的必要条件；过冷度（热力学条件），能量起伏(能量条件)，结构起伏（几何条件） (2)晶核半径γk 与V G ?、T ?关系的表达式。（p231） 2 简述湿润角θ、杂质粒子的晶体结构和表面形态对异质形核的影响。参考答案：纯金属凝固时润湿角θ＝0°，形核功为0，固相粒子促进形核效果最好；润湿角θ＝180°，异质形核功等于均匀形核功，固相粒子对形核无促进作用；润湿角0°<θ<180°，形核功比均匀形核的形核功小，θ越小，固相粒子促进形核效果越好。杂质颗粒的晶体结构与晶核相同或相近时，促进形核效果好，当两者结构不相同时，一般对促进形核效果差或不促进形核。杂质粒子的表面成凹形时，促进形核效果好，成平面状时次之，凸形时最差。 3 证明金属形核时，无论是均匀形核、非均匀形核（平面墙），临界形核功G k ?与临界晶核体积k V 、临界表面积k A 的关系 1123G k k V k V G A σ?=-?= 4 铜的熔点m T =1356 K ，熔化热m H ?=1628 J/cm 2，液固界面能σ=177 erg/cm 2，点阵常数a =0.361 5 nm 。求铜△T =100 ℃ 时均匀形核的临界核心半径和每个临界核心的原子数目。 5 何谓过冷，过冷度，动态过冷度，它们对结晶过程有何影响？参考答案：过冷是指金属结晶时实际结晶温度T 比理论结晶温度m T 低的现象。过冷度ΔT 指m T 与T 的差值。动态过冷度指晶核长大时的过冷度。金属形核和长大都需要过冷，过冷度增大通常使形核半径、形核功减少，形核过程容易，形核率增加，晶粒细化。

《金属凝固原理》思考题解答

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 、μm ，其熔点温度各为多少已知△H=18058J/mol ，V m =606cm 3/mol ，σ=255×107J/cm 2 6．（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）。由G=H-S 可知，ΔG V =（H S -H L )—T(S S -S L )。由于恒压下，ΔH P =H S -H L =—L m ，ΔS m =S S -S L =—L m /T m ，（L m 为熔化热，ΔS m 为熔化熵）。整理以上各式得：m m V T T L G ?-= ?，其中ΔT=T m -T 。由上式可知：要使V G ?<0，必须使ΔT>0，即T

金属凝固理论

快速凝固理论与技术的研究及应用摘要快速凝固技术是近年来得到广泛发展和应用的新型材料的制备技术，其特点是具有较高的冷却速率和明显的非平衡效应。本文介绍了快速凝固技术原理、快速凝固得到的组织特征及原因、快速凝固实现方法，并对快速凝固技术在制备镁合金、铝合金、铜合金、金属纳米结构材料中的应用作了详细介绍。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，新的亚稳相等与常规合金不同的组织和结构特征。关键词快速凝固；凝固原理；凝固组织；快速凝固实际应用 Research and Application of Rapid Solidification Theory and Technology ABSTRACT Rapid solidification technology is the preparation technology of new materials and it is widely developed and applied in recent years.The characteristic of the rapid solidification technology is high velocity of cooling and obvious non-equilibrium effect. This paper mainly introduce the principle, structure and the realization method of rapid solidification technology. It also introduces the application of rapid solidification technology which is in magnesium alloy, aluminum alloy, copper alloy and metal nano structure material in detail. The alloy obtained by rapid solidification technology has ultrafine grain size, microcrystalline structure of segregation-free or less segregation, new metastable phase that conventional alloys do not possess. These features all owned by it surely play an important influence on the theoretical study and the need in actual production of material science and other subjects. KEY WORDS rapid solidification; theory of solidification; structure of solidification; practical application of rapid solidification 凝固是金属材料生产过程中材料冶金质量控制的关键环节。在金属材料的生产过程中，完成合金液的冶炼之后，首先需要铸造成铸坯，并进行后续的变形加工。铸坯的凝固质量不仅影响后续的加工工艺，而且对最终产品的性能有重要影响。如钢坯中的成分偏析，晶粒粗大等是长期困扰钢材质量控制的难题。快速凝固的出现在很大程度上解决了这一问题，由于凝固速度极快、凝固时间极短、扩散时间短、晶粒长大时间有限，成分偏析、晶粒粗大等问题在一定程度上得到了解决。这对材料科学及其他学科的理论研究以及满足实际生产中的需要起到了重大作用，因此，近些年材料的快速凝固过程引起了人们的极大兴趣[1]。 1 快速凝固原理、组织特征及性能 1.1快速凝固的原理快速凝固是指通过对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[2]。 1.2快速凝固的组织特征快速凝固能改善合金的显微结构，从而能改善合金的综合力学性能。快速凝固由于是非平衡凝固，因此快速凝固的组织特征不同于普通凝固，加决冷却速度和凝固速率所引起的组织及结构特征可以近似地用图1来表示[3]。