材料成型原理作业-2011.4.8

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。 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。
影响铸件宏观凝固组织的因素：液态金属的成分、 影响铸件宏观凝固组织的因素：液态金属的成分、铸型 的性质、浇注条件、冷却条件。 的性质、浇注条件、冷却条件。
获得细等轴晶的常用方法： 获得细等轴晶的常用方法：
C (1) 固-液界面的成分 CS和 L 液界面的成分
* *
(2) 固-液界面保持平整界面的条件 液界面保持平整界面的条件
10.
Csm
Al
CE
源自文库Cu
11. 在普通工业条件下为什么非共晶成分的合金往往 能获得100％的共晶组织？用相图说明之。 ％的共晶组织？用相图说明之。 能获得 12. 何谓结晶过程中的溶质再分配 它是否仅由平衡分 何谓结晶过程中的溶质再分配?它是否仅由平衡分 配系数k 所决定?当相图上的液相线和固相线皆为直 配系数 0所决定 当相图上的液相线和固相线皆为直 线时，试证明 0为一常数。 线时，试证明k 为一常数。
12. 何谓结晶过程中的溶质再分配 它是否仅由平衡分配系数 0所 何谓结晶过程中的溶质再分配?它是否仅由平衡分配系数 它是否仅由平衡分配系数k 决定?当相图上的液相线和固相线皆为直线时，试证明 为一常数。 决定 当相图上的液相线和固相线皆为直线时，试证明k0为一常数。 当相图上的液相线和固相线皆为直线时
3 试述柱状晶组织对铸件性能的影响 柱状晶的凝固区域较窄小， 柱状晶的凝固区域较窄小，在生长过程中容易从它的 前方熔体中获得液态金属的补缩。同时， 前方熔体中获得液态金属的补缩。同时，其横向生长 受到相邻晶体的阻碍而使横向分枝不能充分发展， 受到相邻晶体的阻碍而使横向分枝不能充分发展，分 枝较细。因此，柱状晶组织致密， 枝较细。因此，柱状晶组织致密，不容易形成缩松和 晶间夹杂等宏观缺陷。 晶间夹杂等宏观缺陷。但柱状晶的各项性能存在着明 显的各向异性：纵向性能与横向性能有着明显的差别。 显的各向异性：纵向性能与横向性能有着明显的差别。 此外，柱状晶的生长方向是与热通量平行的。 此外，柱状晶的生长方向是与热通量平行的。因而在 铸件(锭 的转角处或中心 的转角处或中心， 铸件 锭)的转角处或中心，从不同方向生长的柱状晶彼 此相遇时形成的交界面 交界面， 聚集气体和夹杂物， 此相遇时形成的交界面，易于 聚集气体和夹杂物，对 铸件(锭 的性能有很大损害 的性能有很大损害。 铸件 锭)的性能有很大损害。
9. A-B二元合金原始成分为 0 =2.0 %，k0=0.2，mL =3，自左向 二元合金原始成分为C 二元合金原始成分为 ， ， ， 右单向凝固， 右单向凝固， 固相无扩散而液相无对流而只有有限扩散 ）。凝固达到稳态时 （DL=2×10-4cm2/s）。凝固达到稳态时，求 × ）。凝固达到稳态时，
2.常用生核剂有哪些种类，其作用条件和机理如何? 常用生核剂有哪些种类，其作用条件和机理如何 常用生核剂有哪些种类 生核剂主要有两类：一类是起非自发形核作用； 答：生核剂主要有两类：一类是起非自发形核作用；另一类是通过 在生长界面前沿的成分富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生缩颈， 在生长界面前沿的成分富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生缩颈， 促进枝晶熔断和游离而细化晶粒。 促进枝晶熔断和游离而细化晶粒。 作用条件及机理： 作用条件及机理： （1）对于第一类生核剂可以从三个方面来理解。 ）对于第一类生核剂可以从三个方面来理解。 • 第一种情况是孕育剂含有直接作为非自发生核的物质，即一些与欲 第一种情况是孕育剂含有直接作为非自发生核的物质， 细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属微小颗粒。 细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属微小颗粒。它们在 液态金属中可直接作为欲细化相的有效衬底而促进非均质生核。 液态金属中可直接作为欲细化相的有效衬底而促进非均质生核。 • 第二种情况，孕育剂能与液相中某些元素 最好是欲细化相的原子 第二种情况，孕育剂能与液相中某些元素(最好是欲细化相的原子 最好是欲细化相的原子) 反应生成较稳定的化合物而产生非自发生核。 反应生成较稳定的化合物而产生非自发生核。此化合物应与欲细化相 具有界面共格对应关系而能促进非均质生核。 具有界面共格对应关系而能促进非均质生核。 • 第三种情况，通过在液相中造成很大的微区富集而迫使结晶相提前 第三种情况， 弥散析出而生核。 弥散析出而生核。 （2）对于第二类生核剂，它的作用在于使枝晶产生更细的缩颈，其 ）对于第二类生核剂，它的作用在于使枝晶产生更细的缩颈， 结果必然导致结晶更易于游离。 结果必然导致结晶更易于游离。这种晶粒细化剂之所以使枝晶缩颈更 主要是溶质的偏析造成的， 细，主要是溶质的偏析造成的，在凝固过程中由于溶质在枝晶侧向的 偏析，使此处的过冷度减少，从而使晶体的长大受到抑制而产生细的 偏析，使此处的过冷度减少， 缩颈。 缩颈。
12.当相图上的液相线和固相线皆为直线时 0为一常数，证明如下：如右图所示： 当相图上的液相线和固相线皆为直线时k 为一常数，证明如下：如右图所示：
* CS
* CL
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 铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的， 理如何？ 理如何？
表面细晶区：紧靠型壁的激冷组织， ① 表面细晶区：紧靠型壁的激冷组织，也称激 冷区，由无规则排列的小等轴晶组成。 冷区，由无规则排列的小等轴晶组成。 ② 柱状晶区：由垂直于型壁（沿热流方向）彼 柱状晶区：由垂直于型壁（沿热流方向） 此平行排列的柱状晶粒组成。 此平行排列的柱状晶粒组成。 由各向同性的等轴晶粒组成。 ③ 中心等轴晶区 ：由各向同性的等轴晶粒组成。 等轴晶的尺寸往往比表面细等轴晶区的晶粒 尺寸粗大。 尺寸粗大。
6. 在 一般情况下希望铸件获得细等轴晶组织，为什 一般情况下希望铸件获得细等轴晶组织， 怎样才能获得？ 么？怎样才能获得？ 等轴晶是在成分过冷区和凝固区域较大的范围内 生长而成的。它的分枝比较发达， 生长而成的。它的分枝比较发达，晶界夹杂等缺 陷比较分散。且各晶粒取向具有宏观的各向同性， 陷比较分散。且各晶粒取向具有宏观的各向同性， 故其性能比较均匀和稳定。 故其性能比较均匀和稳定。 想的综合机械性能， 细等轴晶组织有着较为理 想的综合机械性能，疲 劳强度也随着晶粒的细化而提高。 劳强度也随着晶粒的细化而提高。
1. 孕育处理：向熔体中加入强生核剂，直接作为外加晶 孕育处理：向熔体中加入强生核剂，
核的生核剂；采用含强成分过冷元素的生核剂。 核的生核剂；采用含强成分过冷元素的生核剂。 2. 控制浇注条件：（ ）采用较低的浇注温度，低温浇注 控制浇注条件：（ 采用较低的浇注温度， ：（1） 有利于产生较多游离以及使游离晶粒不重熔；（ ；（2） 有利于产生较多游离以及使游离晶粒不重熔；（ ）采 用合适的浇注工艺。 用合适的浇注工艺。 3. 动态下晶粒细化：振动、搅拌、铸型旋转等方法。 动态下晶粒细化：振动、搅拌、铸型旋转等方法。 4. 铸型性质和铸件结构：（ ）采用金属型铸造； 铸型性质和铸件结构：（ 采用金属型铸造； ：（1） （2）减小液态金属与铸型表面的润湿角； ）减小液态金属与铸型表面的润湿角； （3）提高铸型表面粗糙度。 ）提高铸型表面粗糙度。
9
10.
(2)
11. 在普通工业条件下为什么非共晶成分的合金往往 能获得100％的共晶组织？用相图说明之。 ％的共晶组织？用相图说明之。 能获得 在普通工业条件下， 在普通工业条件下，从热力学 考虑， 考虑，当非共晶成分的合金较 快地冷却到两条液相线地延长 线所包围的影线区域时， 线所包围的影线区域时，液相 内两相达到饱和， 内两相达到饱和，两相具备了 同时析出的条件， 同时析出的条件，但一般总是 某一相先析出， 某一相先析出，然后再在其表 面析出另一个相， 面析出另一个相，于是便开始 了两相竞相析出的共晶凝固过 最后获得100％的共晶组织。 程，最后获得 ％的共晶组织。
表面细等轴晶的形成机理： 表面细等轴晶的形成机理：非均质形核和大量游离晶 粒提供了表面细等轴晶区的晶核， 粒提供了表面细等轴晶区的晶核，型壁附近产生较大 过冷而大量生核，这些晶核迅速长大并且互相接触， 过冷而大量生核，这些晶核迅速长大并且互相接触， 从而形成无方向性的表面细等轴晶区。 从而形成无方向性的表面细等轴晶区。 中间柱状晶的形成机理： 中间柱状晶的形成机理：柱状晶主要从表面细等轴晶 区形成并发展而来， 区形成并发展而来，稳定的凝固壳层一旦形成处在凝 固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下， 固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下， 便转而以枝晶状延伸生长。由于择优生长， 便转而以枝晶状延伸生长。由于择优生长，在逐渐淘 汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。 汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。 内部等轴晶的形成是由于剩余熔体内部晶核自由生长 内部等轴晶的形成是由于剩余熔体内部晶核自由生长 的结果。 的结果。
4 试述等轴晶组织对铸件性能的影响
等轴晶是在成分过冷区和凝固区域较大的范围内 生长而成的。它的分枝比较发达。 生长而成的。它的分枝比较发达。等轴晶的晶界 面积与其体积之比大于柱状晶的晶界面积/ 面积与其体积之比大于柱状晶的晶界面积/体积 故晶界夹杂等缺陷比较分散。 比。故晶界夹杂等缺陷比较分散。且各晶粒取向 具有宏观的各向同性，故其性能比较均匀和稳定。 具有宏观的各向同性，故其性能比较均匀和稳定。 其缺点是枝晶分枝比较发达，显微缩松较多， 其缺点是枝晶分枝比较发达，显微缩松较多，组 织不够致密。这些缺点通常经晶粒细化加以克服。 织不够致密。这些缺点通常经晶粒细化加以克服。
获得等轴晶方法： 获得等轴晶方法：
7. 对于厚大金属型钢锭如何获得细等轴晶组织？ 对于厚大金属型钢锭如何获得细等轴晶组织？ 降低浇注温度： ① 降低浇注温度：较低的浇注温度一方面有利于从 型壁上脱离的晶粒、 型壁上脱离的晶粒、枝晶熔断产生的晶粒以及自 由表面产生的晶粒雨更多地残存下来， 由表面产生的晶粒雨更多地残存下来，减少被重 新熔化的数量；另一方面， 新熔化的数量；另一方面，由于熔体的过热度小 易于产生较多的游离晶粒。 易于产生较多的游离晶粒。这两方面对等轴晶的 形成和细化有利。但是浇注温度不能过低。 形成和细化有利。但是浇注温度不能过低。 ② 向熔体中加入强生核剂 动态下晶粒细化： ③ 动态下晶粒细化： 振动
作业 1.铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的，它们的 铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的， 铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的 形成机理如何？ 形成机理如何？ 2.常用生核剂有哪些种类，其作用条件和机理如何？ 常用生核剂有哪些种类， 常用生核剂有哪些种类 其作用条件和机理如何？ 3.试述柱状晶组织对铸件性能的影响 试述柱状晶组织对铸件性能的影响 4.试述等轴晶组织对铸件性能的影响 试述等轴晶组织对铸件性能的影响 5.试分析影响铸件宏观凝固组织的因素，列举获得细等 试分析影响铸件宏观凝固组织的因素， 试分析影响铸件宏观凝固组织的因素 轴晶的常用方法。 轴晶的常用方法。 6.在 一般情况下希望铸件获得细等轴晶组织，为什么？ 在 一般情况下希望铸件获得细等轴晶组织，为什么？ 怎样才能获得？ 怎样才能获得？ 7.对于厚大金属型钢锭如何获得细等轴晶组织？ 对于厚大金属型钢锭如何获得细等轴晶组织？ 对于厚大金属型钢锭如何获得细等轴晶组织 8.对于厚大砂型铸件如何获得细等轴晶组织 对于厚大砂型铸件如何获得细等轴晶组织? 对于厚大砂型铸件如何获得细等轴晶组织
• 结晶过程中的溶质再分配：是指在结晶过程中溶质在液、固 结晶过程中的溶质再分配：是指在结晶过程中溶质在液、 两相重新分布的现象。 两相重新分布的现象。 • 溶质再分配不仅由平衡分配系数 0决定 ，还受自身扩散性质 溶质再分配不仅由平衡分配系数k 的制约，液相中的对流强弱等因素也将影响溶质再分配。 的制约，液相中的对流强弱等因素也将影响溶质再分配。