金属材料与热处理 第二章作业答案

1金属结晶包括哪两个过程，结晶的条件是什么？什么叫过冷度？为什么结晶时需要有过冷度？影响过冷度的原因是什么？

答：金属结晶包括形核与长大两个过程。结晶需满足自由能降低，即需要在一定的过冷度条件下才能结晶。此外还需要有能量起伏和结构起伏。

实际结晶温度与理论结晶温度的差值称之为过冷度。结晶时自由能的变化主要包括体积自由能的降低和表面能的增加。只有在足够的过冷条件下，结晶时体积自由能的下降才能克服结晶时界面自由能的增加，获得足够的结晶驱动力。实际上，体积自由能的变化只需弥补2/3的界面能的变化，即可形成稳定的晶核。

影响过冷度的主要因素有材料本身的性质、化学成分、冷却速度等。

2 晶粒大小对材料的机械性能有何影响，影响铸态晶粒大小的主要因素是什么？铸造实际中如何控制金属晶粒大小？何谓变质处理？

答：常温下，晶粒越细小，材料的强度、硬度越高，塑性和韧性越好。

铸态晶粒大小主要受形核和长大速度的控制，所以凡是影响晶粒的形核和长大的因素都会影响铸态晶粒的大小。主要因素包括过冷度、原子扩散系数、温度梯度、成分梯度、形核剂等。在工业生产中，通常采用控制过冷度、变质处理、振动和搅动的方式来控制晶粒的大小。变质处理就是在浇注前，往液态金属中加入形核剂（变质剂），促进大量的非均匀形核来达到细化晶粒的目的。

3 简述金属铸锭的组织的形成，每个区的性能特点，存在哪些缺陷？

答：通常金属的铸锭组织分为三个晶区，即表层的细晶区、中间的柱状晶区和中心的等轴晶区。表层细晶区晶粒细小，组织致密，力学性能很好。但细晶区的厚度很薄，无太大的实际意义。柱状晶区晶粒的界面平直、晶粒内部气泡缩孔很小，组织比较致密。各晶粒取向接近，因此性能呈现各向异性。柱状晶界处杂质、气泡、缩孔等富集，形成弱面，热加工时容易开裂，形成废品。中心等轴晶区各晶粒长大时彼此交叉，枝叉间搭接牢固，裂纹不易扩散，不存在明显的弱面，各晶粒取向不同，性能也没有方向性。但树枝状晶发达，显微缩孔较多，组织不够致密。

4 说明晶体成长形状与温度梯度的关系。

答：（1）在正的温度梯度下生长的界面形态。光滑界面结晶的晶体在无其它因素干扰的情况下大多可以成长为以密排晶面为表面的晶体，具有规则的几何外形。粗糙界面结构的晶体，在正的温度梯度下成长时，其界面为平行于熔点等温面的平直界面，与散热方向垂直，从而使之具有平面状的长大形态，可将这种长大方式叫做平面长大方式。

（2）在负的温度梯度下生长的界面形态粗糙界面的晶体在负的

在负的温度梯度下主要生长成树枝晶体。主干叫一次晶轴或一次晶枝。其它的叫二次晶或三次晶。对于光滑界面的物质在负的温度梯度下长大时，如果杰克逊因子α不太大时可能生长为树枝晶，如果杰克逊因子α很大时，即使在负的温度梯度下，仍有可能形成规则形状的晶体。