铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的它们的形成机理如何
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陶瓷大学材料成型原理题库热传导：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及自由电子等微观粒子的热运动来传递热量; 热对流：流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程热辐射：是物质由于本身温度的原因激发产生电磁波而被另一低温物体吸收后,又重新全部或部分地转变为热能的过程;均质形核：晶核在一个体系内均匀地分布凝固：物质由液相转变为固相的过程过冷度：所谓过冷度是指在一定压力下冷凝水的温度低于相应压力下饱和温度的差值成分过冷：这种由固-液界面前方溶质再分配引起的过冷,称为成分过冷偏析：合金在凝固过程中发生化学成分不均匀现象残余应力：是消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在物体内的自相平衡的内应力定向凝固原则：定向凝固原则是采取各种措施,保证铸件结构上各部分按距离冒口的距离由远及近,朝冒口方向凝固,冒口本身最后凝固;屈服准则：是塑性力学基本方程之一,是判断材料从弹性进入塑性状态的判据简单加载;在加载过程中各个应力分量按同一比例增加,应力主轴方向固定不变滑移线：塑性变形金属表面所呈现的由滑移所形成的条纹本构关系;应力与应变之间的关系弥散强化：指一种通过在均匀材料中加入硬质颗粒的一种材料的强化手段最小阻力定律：塑性变形体内有可能沿不同方向流动的质点只选择阻力最小方向流动的规律边界摩擦：单分子膜润滑状态下的摩擦变质处理：在液态金属中添加少量的物质,以改善晶粒形核绿的工艺孕育处理;抑制柱状晶生长,达到细化晶粒,改善宏观组织的工艺真实应力：单向拉伸或压缩时作用在试样瞬时横截面上是实际应力热塑性变形:金属再结晶温度以上的变形塑性：指金属材料在外力作用下发生变形而不破坏其完整性的能力塑性加工：使金属在外力作用下产生塑性变形并获得所需形状的一种加工工艺相变应力：金属在凝固后冷却过程中产生相变而带来的0应力变形抗力：反应材料抵抗变形的能力超塑性: 材料在一定内部条件和外部条件下,呈现出异常低的流变应力,异常高的流变性能的现象1 韧性金属材料屈服时, 密塞斯准则较符合实际的;2 硫元素的存在使得碳钢易于产生开裂;3 塑性变形时不产生硬化的材料叫做理想塑性材料;4应力状态中的压应力,能充分发挥材料的塑性;5 平面应变时,其平均正应力 ｍ等于中间主应力 ２;6 钢材中磷使钢的强度、硬度提高,塑性、韧性降低 ;7 材料在一定的条件下,其拉伸变形的延伸率超过100％的现象叫超塑性;8 材料经过连续两次拉伸变形,第一次的真实应变为 １＝０.1,第二次的真实应变为 ２＝０.25,则总的真实应变 ＝;9 固体材料在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的能力叫材料的塑性 ;10 塑性成形中的三种摩擦状态分别是：干、边界、流体;11 对数应变的特点是具有真实性、可靠性和可加性;12 就大多数金属而言,其总的趋势是,随着温度的升高,塑性增加;13钢冷挤压前,需要对坯料表面进行磷化-皂化润滑处理;14 为了提高润滑剂的润滑、耐磨、防腐等性能常在润滑油中加入的少量活性物质的总称叫添加剂;15 塑性指标的常用测量方法拉伸、压缩、扭转实验 ;16 弹性变形机理原子间距的变化；塑性变形机理位错运动为主;1、液态金属或合金中一般存在相或结构起伏、浓度起伏和能量起伏,其中在一定过冷度下,临界核心由相或结构起伏提供,临界生核功由能量起伏提供;2、液态金属的流动性主要由成分、温度和杂质含量等决定;3、液态金属合金凝固的驱动力由过冷度提供,而凝固时的形核方式有均质形核和异质形核或非质形核两种;5、铸件凝固过程中采用振动、搅拌和旋转铸型等物理方法实现动态结晶,可以有效地细化晶粒组织;6、孕育和变质处理是控制金属合金铸态组织的主要方法,两者的主要区别在于孕育主要影响生核过程 ,而变质则主要改变晶体的生长过程 ;7、铸造合金从浇注温度冷却到室温一般要经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个收缩阶段;8、铸件中的成分偏析按范围大小可分为微观偏析和宏观偏析两大类;1．液态金属本身的流动能力主要由液态金属的成分、温度和杂质含量等决定;2．液态金属或合金凝固的驱动力由过冷度提供;3．晶体的宏观生长方式取决于固液界面前沿液相中的温度梯度,当温度梯度为正时,晶体的宏观生长方式为平面长大方式 ,当温度梯度为负时,晶体的宏观生长方式为树枝晶长大方式 ;5．液态金属凝固过程中的液体流动主要包括自然对流和强迫对流 ;6．液态金属凝固时由热扩散引起的过冷称为热过冷 ;7．铸件宏观凝固组织一般包括表层细晶粒区、中间柱状晶区和内部等轴晶区三个不同形态的晶区;8．内应力按其产生的原因可分为热应力、相变应力和机械应力三种;9．铸造金属或合金从浇铸温度冷却到室温一般要经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个收缩阶段;10．铸件中的成分偏析按范围大小可分为微观偏析和宏观偏析二大类;1、什么是缩孔和缩松请分别简述这两种铸造缺陷产生的条件和基本原因答：铸造合金在凝固过程中,由于液态收缩和凝固收缩的产生,往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞,称为缩孔；其中尺寸细小而且分散的孔洞称为分散性缩孔,简称缩松; 缩孔产生的条件是：铸件由表及里逐层凝固；其产生的基本原因是：合金的液态收缩和凝固收缩值之和大于固态收缩值; 缩松产生的条件是：合金的结晶温度范围较宽,倾向于体积凝固;其产生的基本原因是：合金的液态收缩和凝固收缩值之和大于固态收缩值;2.简述提高金属塑性的主要途径;答：一、提高材料的成分和组织的均匀性二、合理选择变形温度和变形速度三、选择三向受压较强的变形方式四、减少变形的不均匀性12、对于低碳钢薄板,采用钨极氩弧焊较容易实现单面焊双面成形背面均匀焊透;采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板或铝板会出现什么后果为什么解：采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板可能会出现烧穿,这是因为不锈钢材料的导热性能比低碳钢差,电弧热无法及时散开的缘故；相反,采用同样焊接规范去焊同样厚度的铝板可能会出现焊不透,这是因为铝材的导热能力优于低碳钢的缘故;6、铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的,它们的形成机理如何答：铸件的宏观组织通常由激冷晶区、柱状晶区和内部等轴晶区所组成;表面激冷区的形成：当液态金属浇入温度较低的铸型中时,型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用,产生很大的过冷度而大量非均质生核;这些晶核在过冷熔体中也以枝晶方式生长,由于其结晶潜热既可从型壁导出,也可向过冷熔体中散失,从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织;柱状晶区的形成：在结晶过程中由于模壁温度的升高,在结晶前沿形成适当的过冷度,使表面细晶粒区继续长大也可能直接从型壁处长出,又由于固-液界面处单向的散热条件垂直于界面方向,处在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下,以表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底,呈枝晶状单向延伸生长,那些主干取向与热流方向相平行的枝晶优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长,在淘汰取向不利的晶体过程中,发展成柱状晶组织;内部等轴晶的形成：内部等轴晶区的形成是由于熔体内部晶核自由生长的结果;随着柱状晶的发展,熔体温度降到足够低,再加之金属中杂质等因素的作用,满足了形核时的过冷度要求,于是在整个液体中开始形核;同时由于散热失去了方向性,晶体在各个方向上的长大速度是相等的,因此长成了等轴晶;6、什么是金属的超塑性超塑性变形有什么特征答：在一些特定条件下,如一定的化学成分、特定的显微组织、特定的变形温度和应变速率等,金属会表现出异乎寻常的高塑性状态,即所谓超常的塑性变形;塑性效应表现为以下几个特点：大伸长率、无缩颈、低流动应力、对应变速率的敏感性、易成形;5、什么是加工硬化产生加工硬化的原因是什么它对金属的塑性和塑性加工有何影响答：加工硬化：在常温状态下,金属的流动应力随变形程度的增加而上升;为了使变形继续下去,就需要增加变形外力或变形功;这种现象称为加工硬化;加工硬化产生的原因主要是由于塑性变形引起位错密度增大,导致位错之间交互作用增强,大量形成缠结、不动位错等障碍,形成高密度的“位错林”,使其余位错运动阻力增大,于是塑性变形抗力提高;1、简述滑移和孪生两种塑性变形机理的主要区别;答：滑移是指晶体在外力的作用下,晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对移动或切变;滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生;孪生变形时,需要达到一定的临界切应力值方可发生;在多晶体内,孪生变形是极其次要的一种补充变形方式;9 . 对于低碳钢薄板,采用钨极氩弧焊较容易实现单面焊双面成形背面均匀焊透;采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板或铝板会出现什么后果为什么解：采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板可能会出现烧穿,这是因为不锈钢材料的导热性能比低碳钢差,电弧热无法及时散开的缘故；相反,采用同样焊接规范去焊同样厚度的铝板可能会出现焊不透,这是因为铝材的导热能力优于低碳钢的缘故;1.铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的,它们的形成机理如何答：铸件的宏观组织通常由激冷晶区、柱状晶区和内部等轴晶区所组成;表面激冷区的形成：当液态金属浇入温度较低的铸型中时,型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用,产生很大的过冷度而大量非均质生核;这些晶核在过冷熔体中也以枝晶方式生长,由于其结晶潜热既可从型壁导出,也可向过冷熔体中散失,从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织;柱状晶区的形成：在结晶过程中由于模壁温度的升高,在结晶前沿形成适当的过冷度,使表面细晶粒区继续长大也可能直接从型壁处长出,又由于固-液界面处单向的散热条件垂直于界面方向,处在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下,以表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底,呈枝晶状单向延伸生长,那些主干取向与热流方向相平行的枝晶优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长,在淘汰取向不利的晶体过程中,发展成柱状晶组织;内部等轴晶的形成：内部等轴晶区的形成是由于熔体内部晶核自由生长的结果;随着柱状晶的发展,熔体温度降到足够低,再加之金属中杂质等因素的作用,满足了形核时的过冷度要求,于是在整个液体中开始形核;同时由于散热失去了方向性,晶体在各个方向上的长大速度是相等的,因此长成了等轴晶;5.试分析影响铸件宏观凝固组织的因素,列举获得细等轴晶的常用方法;答：铸件的三个晶区的形成是相互联系相互制约的,稳定凝固壳层的形成决定着表面细晶区向柱状晶区的过度,而阻止柱状晶区的进一步发展的关键则是中心等轴晶区的形成,因此凡能强化熔体独立生核,促进晶粒游离,以及有助于游离晶的残存与增殖的各种因素都将抑制柱状晶区的形成和发展,从而扩大等轴晶区的范围,并细化等轴晶组织;细化等轴晶的常用方法：1 合理的浇注工艺：合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得及细化等轴晶的有效措施；通过改变浇注方式强化对流对型壁激冷晶的冲刷作用,能有效地促进细等轴晶的形成；2冷却条件的控制：对薄壁铸件,可采用高蓄热、快热传导能力的铸型；对厚壁铸件,一般采用冷却能力小的铸型以确保等轴晶的形成,再辅以其它晶粒细化措施以得到满意的效果；3孕育处理：影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒;4动力学细化：铸型振动;超声波振动;液相搅拌;流变铸造,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;7.试述焊接熔池中金属凝固的特点;答：熔焊时,在高温热源的作用下,母材发生局部熔化,并与熔化了的焊接材料相互混合形成熔池,同时进行短暂而复杂的冶金反应;当热源离开后,熔池金属便开始了凝固;因此,焊接熔池具有以下一些特殊性;1熔池金属的体积小,冷却速度快;在一般电弧焊条件下,熔池的体积最大也只有30cm3 ,冷却速度通常可达4～100℃/s,;2熔池金属中不同区域温差很大、中心部位过热温度最高;熔池金属中温度不均匀,且过热度较大,尤其是中心部位过热温度最高,非自发形核的原始质点数将大为减少;3动态凝固过程;一般熔焊时,熔池是以一定的速度随热源而移动;4液态金属对流激烈;熔池中存在许多复杂的作用力,使熔池金属产生强烈的搅拌和对流,在熔池上部其方向一般趋于从熔池头部向尾部流动,而在熔池底部的流动方向与之正好相反,这一点有利于熔池金属的混和与纯净;2.偏析是如何形成的影响偏析的因素有哪些生产中如何防止偏析的形成答：偏析主要是由于合金在凝固过程中扩散不充分、溶质再分配而引起的;影响偏析的因素有：1合金液、固相线间隔；2偏析元素的扩散能力；3冷却条件;针对不同种类的偏析可采取不同的防止方法,具体有：1生产中可通过扩散退火或均匀化退火来消除晶内偏析,即将合金加热到低于固相线100～200℃的温度,进行长时间保温,使偏析元素进行充分扩散,以达到均匀化；2预防和消除晶界偏析的方法与晶内偏析所采用的措施相同,即细化晶粒、均匀化退火;但对于氧化物和硫化物引起的晶界偏析,即使均匀化退火也无法消除,必须从减少合金中氧和硫的含量入手;3向合金中添加细化晶粒的元素,减少合金的含气量,有助于减少或防止逆偏析的形成;4降低铸锭的冷却速度,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,均会增加形成V形和逆V形偏析的倾向;5减少溶质的含量,采取孕育措施细化晶粒,加强固-液界面前的对流和搅拌,均有利于防止或减少带状偏析的形成;6防止或减轻重力偏析的方法有以下几种：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或下沉；2加入能阻碍初晶沉浮的合金元素;例如,在Cu-Pb合金中加少量Ni,能使Cu固溶体枝晶首先在液体中形成枝晶骨架,从而阻止Pb下沉;再如向Pb-17％Sn合金中加入质量分数为%的Cu,首先形成Cu-Pb骨架,也可以减轻或消除重力偏析；3浇注前对液态合金充分搅拌,并尽量降低合金的浇注温度和浇注速度;15、分析氢在形成冷裂纹中的作用,简述氢致裂纹的特征和机理;答：1氢的作用焊缝凝固时,高温下溶入液态金属中的氢将来不及析出,呈过饱和态残留在接头中;由于氢原子的体积小,因此可以在接头中自由扩散,称之为接头中的扩散氢;扩散氢易于在焊接热影响区、焊趾、焊根等部位偏聚,使金属脆化;尤其是当这些部位存在显微裂纹时,扩散氢易向裂纹尖端的三向拉伸应力区扩散、聚集,当接头中的扩散氢达到氢的临界含量时,将导致冷裂纹的出现;2氢致裂纹的形成机理及特征形成机理：接头中的扩散氢不仅使金属脆化,当金属内部存在显微裂纹等缺陷时,在应力的作用下,裂纹前沿会形成应力集中的三向应力区,诱使接头中的扩散氢向高应力区扩散并聚集为分子态氢,体积膨胀使裂纹内压力增高,裂纹向前扩展,在裂纹尖端形成新的三向应力区,这一过程周而复始持续进行;当接头中的氢含量超过临界值时,显微裂纹将扩展成为宏观裂纹;特征：氢致裂纹从潜伏、萌生、扩展直至开裂具有延迟特征；存在氢致延迟裂纹的敏感温度区间Ms以下200℃至室温范围；常发生在刚性较大的低碳钢、低合金钢的焊接结构中;9. 什么是动态再结晶影响动态再结晶的主要因素有哪些答：在热塑性变形过程中,层错能低的金属在变形量很大时,当加热升温时,原子具有相当的扩散能力,变形后的金属自发地向低自由能状态转变,称为动态再结晶;影响动态再结晶的主要因素有：金属的层错能高低,晶界迁移的难易程度有关;15. 应力状态对金属的塑性和变形抗力有何影响答：塑性：金属在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的能力;应力状态不同对塑性的影响也不同：主应力图中压应力个数越多,数值越大,则金属的塑性越高；拉应力个数越多,数值越大,则金属的塑性就越低;这是由于拉应力促进晶间变形,加速晶界破坏,而压应力阻止或减小晶间变形；另外,三向压应力有利于抑制或消除晶体中由于塑性变形而引起的各种微观破坏,而拉应力则相反,它使各种破坏发展,扩大;变形抗力：金属在发生塑性变形时,产生抵抗变形的能力,称为变形抗力,一般用接触面上平均单位面积变形力表示应力状态不同,变形抗力不同;如挤压时金属处于三向压应力状态,拉拔时金属处于一向受拉二向受压的应力状态;挤压时的变形抗力远比拉拔时变形抗力大;。
9 铸件的宏观组织
第9章 铸件凝固组织的形成及控制 10
对三个区的控制
思路: 晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力
第9章 铸件凝固组织的形成及控制 7
二、柱状晶区的形成
柱状晶区是表面细晶区晶体向内单 向延伸生长的结果。 稳定的凝固壳层一旦形成，柱状 根据热流方向择优生长。 晶就直接由表面细等轴晶凝固层 柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产 某些晶粒为基底向内生长，发展 生，而结束于内部等轴晶区的形成。 因此柱状晶区的存在与否及宽窄程 成由外向内生长的柱状晶区。枝 度取决于上述两个因素综合作用的 晶主干取向与热流方向平行的枝 结果。如果在凝固初期就使得内部 产生等轴晶的晶核，将会有效地抑 晶生长迅速 。 制柱状晶的形成。 择优生长、内生生长，外生生长、 共生生长、搭桥生长
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一、孕育处理2生核4、涂覆铸型3、变质处理 二、动态下的结晶 三、电场作用下结晶 四、铸造条件对凝固组织的影响2 浇注温度、铸型
性质
五、快速凝固2大过冷、急冷 六、定向凝固
第9章 铸件凝固组织的形成及控制 12
第五章 铸件及焊缝宏观组织及其控制
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合金成分 凝固组织 铸造条件 各项性能
宏观：晶粒形状、尺寸、取向、分布
微观：晶粒内部形态，树枝晶、胞状晶， 共晶团两相结构形态、数量、分布
第9章 铸件凝固组织的形成及控制
2
第一节 铸件的宏观组织 第二节 表面激冷区及柱状晶区的形成
第三节 内部等轴晶的形成机理
第四节 铸件宏观结晶组织的控制
凝固原理-7铸件凝固组织控制
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以Al-Cu( CCu = 4.5% )合金为例，该合金凝固时收缩率为0.057
液 体 流动速度等于 零 的 地方，对于凝 固 时收缩的合金来 说将 产生正偏析。
Al-Cu合金相图
因为对于凝固时收缩的合金来说，它和 凝固 时没有体积变化的合金（凝固时体积不 收缩 也不膨胀）相比，固相分率减少，与之 相对 应，也就是说液相分率增加，而液相内 溶质 浓度是高的，因此，该地区的最终溶质 平均 C 浓度 会增加，形成正偏析。
fS * CS = k0C0 1 − 1 + α k0
τf
k0 −1
α = DSτ f / λ 2
枝 晶 偏析在凝固后的均匀化处理
把铸件加热到低于固相线100~200oC，长期保温，使溶质 原子充分扩散， 假设枝晶偏析值近似地为正弦波，根据扩散第二定律可解出 在一定温度下经τ 时间后的偏析幅值A：
S
会增加 ，形成正偏析，
细小断面积为粗大处的1/9，在 断面突然变化的地方，在铸件的 心部，液体金属为了补偿下部铸 件的收缩，其流动速度必须很大， 即接近于大断面处的9倍。
如果在大断面处，其宏观偏析为 “0”，其：
v / R ≈ −0.06
这样，在断面突变处：
v / R = −0.54
显然，这里会产生大的负偏析，
1. 传热条件控制
大量实验证实，降低浇注温度是减少柱状晶 获得细等轴晶的有 效措施之 一，甚至在减少液体流动的情况下也能得到细等轴晶组织。 合理控制冷却条件从而形成宽 的凝固区域和获得大的过冷可促进 熔体生核和晶粒游离。小的温度梯 度和高的冷却速度可以满足上述要 求。但就铸型的冷却能力而言，除 薄壁铸件外，这两者不可兼得。 由于高的冷却速度不仅使温 度梯度变大，而且在凝固初期还 促使稳定凝固壳层的过早形成。 因此对厚壁铸件，一般采用冷却 能力小的铸型以确保等轴晶的形 成，再辅以其它晶粒细化措施以 得到满意的效果。
金属凝固理论 第8章 铸件凝固组织的形成及控制
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晶粒增殖
一种非常重要的晶粒游离现象。 过程：游离晶在漂移过程中不断通过不同的温度
区域和浓度区域，不断受到冲击，处于反复局部 熔化和反复生长之中，这样分枝根部缩颈就可能 断开，破碎成几个晶粒。
晶区数及厚度随合金成分 和凝固条件而变。
铸件性能由柱状晶区和内 部等轴晶区的相对量决定， 表面细晶区影响有限。
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事实上，并不是所有 的铸件都具有三个晶 区的组织。
晶区数及柱状晶区和 内部等轴晶区的相对 宽度都随合金的性质 和具体的凝固条件而 变化。
在一定的条件下，甚 至可以获得完全由柱 状晶或等轴晶所组成 的宏观结晶组织。
获得的组织
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铸件内通常含有三个不同形态的晶区
1、表面细晶区：紧靠铸 型 壁 的 激 冷 组 织 ——激 冷区。细小等轴晶。
2、柱状晶区：垂直于型 壁，彼此平行排列的柱 状晶粒。
3、内部等轴晶区：各向 同性的等轴晶。尺寸比 表面细晶区的粗大。
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表面激冷区较薄，仅几个 晶粒厚，其余两晶区较厚。
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A more cellular solidification front
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Dendritic solidification
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（三）内部等轴晶区的形成
内部等铀晶区是熔体内部晶核自由生长的 结果。
关于等轴晶晶核的来源以及这些晶核如何 发展并最终形成等轴晶区的具体过程，还 存在争议。
第4章 铸件凝固组织的形成与控制
铸
型
液 态 金 属
柱状晶生长过程的动态演示
柱状晶的特点： 组织特征 晶粒粗大 晶界面积小 组织致密（杂质、气体少） 性能特征 各向异性（轴向性能好， 高温性能好） 一般不希望得到柱状晶。对于诸如磁性材料、 发动机和螺旋浆叶片等这些强调单方向性能的情 况，采用定向凝固获得全部柱状晶的零件反而更 具优点。
（1）适当降低浇注温度 一方面防止柱状晶生长和晶粒粗化，另一方面 又可以使游离晶在过热较小的液相中保留下来。 （2）合理运用铸型的激冷作用 对薄壁件，采用激冷能力强的铸型 对厚壁件，采用激冷能力较弱的铸型
（3）孕育处理 孕育处理的目的是造成大量晶核、细化晶粒。 合理选择孕育剂 合理确定孕育工艺 （4）动态晶粒细化 振动：振动铸型、浇注槽和浇口杯。振动源有 电磁、机械和超声振动 搅拌：机械、电磁搅拌 旋转震荡：变速旋转或改变旋转方向
5.4铸件晶粒组织的控制
思路：晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生 核能力和各种形式晶粒游离、增殖或重熔程度 这两个基本条件综合作用的结果，铸件中各晶 区的相对大小和晶粒的粗细就是由这个结果所 决定的。凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游 离，以及有助于游离晶的残存与增殖的各种因 素都将抑制柱状晶区的形成和发展，从而扩大 等轴晶区的范围，并细化等轴晶组织。
料斗
离心集液包
直浇道
悬浮浇注法是在 浇注过程中将一 定量的固态金属 颗粒加入到金属 液中，从而改变 金属液凝固过程， 达到细化组织、 减小偏析、减小 铸造应力的目的 的一种工艺方法。
悬浮浇注用涡流导入法的浇注系统
5.4.2 孕育处理
孕育剂作用机理的两类观点
孕育剂含有直接作为非均质形核的物质
孕育主要起非 均质形核作用
华中科技大学材料成形原理习题集
材料成形理论基础习题第一部分液态金属凝固学2.1 纯金属和实际合金的液态结构有何不同？举例说明。
2.2 液态金属的表面张力和界面张力有何不同？表面张力和附加压力有何关系？2.3 液态合金的流动性和冲型能力有何异同？如何提高液态金属的冲型能力/ 2.4 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/m3。
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？2.5 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/m2,ρ液=7500kg/m3,ρMnO=5400kg/m3,MnO呈球行，其半径r＝0.1mm。
3.1 设想液体在凝固时形成的临界核心是边长为a*的立方体形状;(1)求均质形核时的a*和△G*的关系式。
(2)证明在相同过冷度下均质形核时，球形晶核较立方形晶核更易形成。
3.2 设Ni的最大过冷度为319℃，求△G*均和r*均，已知θm＝1453℃。
L＝-1870J/mol，σLC=2.25×10-5J/cm2,摩尔体积为6.6cm3.3.3 什么样的界面才能成为异质结晶核心的基底？3.4 阐述影响晶体生长的因素。
4.1 用Chvorinov公式计算凝固时间时，误差来源于哪几方面？半径相同的圆柱和球体哪个误差大？大铸型和小铸型哪个误差大？金属型和砂型哪个误差大?4.2 立方体、等边圆柱和球形冒口，试证明球形冒口的补缩能力最强。
4.3 焊接熔池有何特征？对凝固过程有何影响？4.4 何谓凝固过程的溶质再分配？它受哪些因素的影响？4.5 设状态图中液相线和固相线为直线，证明平衡常数k0＝Const。
4.6 Al-Cu相图的主要参数为C E＝33%Cu,C=5.65％, Tm＝660℃,T E＝sm548℃。
北京科技大学液态成形理论与工艺复习题
作业11、哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏？以下现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏：（1）物质熔化时体积变化、熵变（及焓变）一般均不大。
［注意：简答题此部分可略：如金属熔化时典型的体积变化△Vm／V（多为增大）为3～5％左右，表明液体原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。
］（2）金属熔化潜热比其汽化潜热小得多（1／15～1／30），表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。
2、实际液态金属的结构是怎样的？实际液态金属和合金由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子集团、空穴所组成，同时也含有各种固态、液态或气态杂质或化合物，而且还表现出能量、结构及浓度三种起伏特征，其结构十分复杂。
1.过冷度对液固态转变单位体积自由能变化的作用，对均质形核临界形核半径、临界形核功、形核速率有何影响；PPT20之前2.试推导均质形核临界晶核半径;PPT16 173.试推导液固相转变单位体积自由能变化:PPT124.影响异质形核的因素：形核温度T：合金成分一定，过冷度大于某一值时，T↓，形核速率υ↑。
形核时间：满足形核条件时，形核时间↑，形成晶核的数量n↑。
形核基底的数量：其他条件一定时，形核基底数量↑，形成晶核的数量n↑接触角θ：接触角θ↓，形核速率υ↑。
形核基底的形状：形核基底界面为凹面时，临界晶核体积最小，形核功也最小，最易形核。
5.促进形核、抑制形核的措施及其应用举例促进形核：增大冷却速率；T；晶粒细化剂，异质形核；机械、超声振动，电磁搅拌，枝晶破碎。
抑制形核：快冷，非晶；去除固相质点；悬浮熔炼或熔融玻璃隔离，避免坩埚表面成为异质形核的基体。
6.粗糙界面与光滑界面的生长方式粗糙界面（金属）：连续长大光滑界面（非金属、亚金属）：侧面长大（二维晶核台阶、晶体缺陷台阶）连续生长：粗糙面的界面结构，有许多位置可供原子着落，液相扩散来的原子很容易被接纳并与晶体连接起来，且在生长过程中仍可维持粗糙界面结构。
铸件成形原理第6章 铸件凝固组织的控制
6.4.2 激冷等轴晶型壁脱落与游离理论
图6-3
浇注过程中激冷晶游离示意图
6.4.2 激冷等轴晶型壁脱落与游离理论
图6-4 凝固初期的激冷等轴晶游离示意图 a)晶体密度比熔体的小 b)晶体密度比熔体的大
6.4.2 激冷等轴晶型壁脱落与游离理论
图6-5 型壁晶粒脱落示意图
6.4.2 激冷等轴晶型壁脱落与游离理论
枝晶的过程中逐渐发展形成柱状晶区，如图6-2所示(实例可见
图4-37)。在柱状晶体的择优生长过程中，距离型壁越远，取向 不利的枝晶被淘汰得越多，柱状晶的伸展方向越趋于同热流的 逆方向一致，柱状晶主干的平均间距也越大。
6.3 柱状晶区的形成机理
图6-2 柱状晶区形成示意图
6.4 内部等轴晶区的形成机理 6.4.1 成分过冷理论
图6-6
游离晶体的生长、局部熔化与增殖示意图
6.4.3 枝晶熔断及结晶雨理论
图6-7
6.5 铸件宏观凝固组织控制 1.合理控制浇注工艺和冷却条件
2.孕育处理
3.动力学细化
6.5 铸件宏观凝固组织控制
图6-8 金属液通过水冷斜板 低温浇注示意图
1.合理控制浇注工艺和冷却条件 (1)较低的浇注温度 从前面讨论可知，降低浇注温度导致熔体
铸件成形原理
第6章 铸件凝固组织的控制 6.1 铸件宏观组织特征
6.2 表面激冷晶区的形成机理
6.3 柱状晶区的形成机理 6.4 内部等轴晶区的形成机理 6.5 铸件宏观凝固组织控制 6.6 凝固组织与熔体热历史的相关性
6.1 铸件宏观组织特征 液态金属凝固时，由于金属熔体的化学成分、浇注条件、铸型
的过热温度变小，在浇注过程中及凝固初期易使较多激冷晶发
生游离；同时，较低的浇注温度可避免激冷晶粒在向铸型内部 游离过程中完全重熔，从而熔体内具有较大游离晶粒的数量。 (2)合理的浇注工艺 通过合理设计浇注系统和浇注方式，增加 金属液对型壁的冲刷作用，强化铸型中金属熔体的对流，同时 避免引起大量气体和夹杂卷入而导致铸件产生相应的缺陷，可 以促进游离晶粒的产生和晶粒游离，有利于等轴晶的形成和细
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1.铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的，它们的形成机理如何?
答：铸件的宏观组织通常由激冷晶区、柱状晶区和内部等轴晶区所组成。
表面激冷区的形成：当液态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用，产生很大的过冷度而大量非均质生核。
这些晶核在过冷熔体中也以枝晶方式生长，由于其结晶潜热既可从型壁导出，也可向过冷熔体中散失，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。
柱状晶区的形成：在结晶过程中由于模壁温度的升高，在结晶前沿形成适当的过冷度，使表面细晶粒区继续长大（也可能直接从型壁处长出），又由于固-液界面处单向的散热条件（垂直于界面方向），处在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下，以表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底，呈枝晶状单向延伸生长，那些主干取向与热流方向相平行的枝晶优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长，在淘汰取向不利的晶体过程中，发展成柱状晶组织。
内部等轴晶的形成：内部等轴晶区的形成是由于熔体内部晶核自由生长的结果。
随着柱状晶的发展，熔体温度降到足够低，再加之金属中杂质等因素的作用，满足了形核时的过冷度要求，于是在整个液体中开始形核。
同时由于散热失去了方向性，晶体在各个方向上的长大速度是相等的，因此长成了等轴晶。