材料成型原理作業(yè)

1、作業(yè)作業(yè) 鑄件典型宏觀凝固組織是由哪幾部分構成的，它們的鑄件典型宏觀凝固組織是由哪幾部分構成的，它們的形成機理如何？形成機理如何？ 常用生核劑有哪些種類，其作用條件和機理如何？常用生核劑有哪些種類，其作用條件和機理如何？ 試述柱狀晶組織對鑄件性能的影響試述柱狀晶組織對鑄件性能的影響 試述等軸晶組織對鑄件性能的影響試述等軸晶組織對鑄件性能的影響 試分析影響鑄件宏觀凝固組織的因素，列舉獲得細等試分析影響鑄件宏觀凝固組織的因素，列舉獲得細等軸晶的常用方法。軸晶的常用方法。 在在 一般情況下希望鑄件獲得細等軸晶組織，為什么？一般情況下希望鑄件獲得細等軸晶組織，為什么？怎樣才能獲得？怎樣才能獲得？ 對于

2、厚大金屬型鋼錠如何獲得細等軸晶組織？對于厚大金屬型鋼錠如何獲得細等軸晶組織？ 對于厚大砂型鑄件如何獲得細等軸晶組織對于厚大砂型鑄件如何獲得細等軸晶組織?9. a-b二元合金原始成分為二元合金原始成分為c0 =2.0 %，k0=0.2，ml =3，自左向，自左向右單向凝固，右單向凝固， 固相無擴散而液相無對流而只有有限擴散固相無擴散而液相無對流而只有有限擴散（dl=210-4cm2/s）。凝固達到穩(wěn)態(tài)時，求）。凝固達到穩(wěn)態(tài)時，求 固固-液界面的成分液界面的成分(1) 固固-液界面保持平整界面的條件液界面保持平整界面的條件*lscc 和10.alcucsmce11. 在普通工業(yè)條件下為什么非共晶成

3、分的合金往往在普通工業(yè)條件下為什么非共晶成分的合金往往能獲得能獲得100的共晶組織？用相圖說明之。的共晶組織？用相圖說明之。 12. 何謂結(jié)晶過程中的溶質(zhì)再分配何謂結(jié)晶過程中的溶質(zhì)再分配?它是否僅由平衡分它是否僅由平衡分配系數(shù)配系數(shù)k0所決定所決定?當相圖上的液相線和固相線皆為直當相圖上的液相線和固相線皆為直線時，試證明線時，試證明k0為一常數(shù)。為一常數(shù)。9(2)10.11. 在普通工業(yè)條件下為什么非共晶成分的合金往往在普通工業(yè)條件下為什么非共晶成分的合金往往能獲得能獲得100的共晶組織？用相圖說明之。的共晶組織？用相圖說明之。 在普通工業(yè)條件下，從熱力學在普通工業(yè)條件下，從熱力學考慮，當非共

4、晶成分的合金較考慮，當非共晶成分的合金較快地冷卻到兩條液相線地延長快地冷卻到兩條液相線地延長線所包圍的影線區(qū)域時，液相線所包圍的影線區(qū)域時，液相內(nèi)兩相達到飽和，兩相具備了內(nèi)兩相達到飽和，兩相具備了同時析出的條件，但一般總是同時析出的條件，但一般總是某一相先析出，然后再在其表某一相先析出，然后再在其表面析出另一個相，于是便開始面析出另一個相，于是便開始了兩相競相析出的共晶凝固過了兩相競相析出的共晶凝固過程，最后獲得程，最后獲得100的共晶組織。的共晶組織。 12. 何謂結(jié)晶過程中的溶質(zhì)再分配何謂結(jié)晶過程中的溶質(zhì)再分配?它是否僅由平衡分配系數(shù)它是否僅由平衡分配系數(shù)k0所所決定決定?當相圖上的液相線

5、和固相線皆為直線時，試證明當相圖上的液相線和固相線皆為直線時，試證明k0為一常數(shù)。為一常數(shù)。 結(jié)晶過程中的溶質(zhì)再分配：是指在結(jié)晶過程中溶質(zhì)在液、固結(jié)晶過程中的溶質(zhì)再分配：是指在結(jié)晶過程中溶質(zhì)在液、固兩相重新分布的現(xiàn)象。兩相重新分布的現(xiàn)象。 溶質(zhì)再分配不僅由平衡分配系數(shù)溶質(zhì)再分配不僅由平衡分配系數(shù)k0決定決定 ，還受自身擴散性質(zhì)，還受自身擴散性質(zhì)的制約，液相中的對流強弱等因素也將影響溶質(zhì)再分配。的制約，液相中的對流強弱等因素也將影響溶質(zhì)再分配。 12.當相圖上的液相線和固相線皆為直線時當相圖上的液相線和固相線皆為直線時k0為一常數(shù)，證明如下：如右圖所示：為一常數(shù)，證明如下：如右圖所示：*lscc

6、 1. 鑄件典型宏觀凝固組織是由哪幾部分構成的，它們的形成機鑄件典型宏觀凝固組織是由哪幾部分構成的，它們的形成機理如何？理如何？表面細晶區(qū)表面細晶區(qū)：緊靠型壁的激冷組織，也稱激：緊靠型壁的激冷組織，也稱激冷區(qū)，由無規(guī)則排列的小等軸晶組成。冷區(qū)，由無規(guī)則排列的小等軸晶組成。柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū)：由垂直于型壁（沿熱流方向）彼：由垂直于型壁（沿熱流方向）彼此平行排列的柱狀晶粒組成。此平行排列的柱狀晶粒組成。中心等軸晶區(qū)中心等軸晶區(qū) ：由各向同性的等軸晶粒組成。：由各向同性的等軸晶粒組成。等軸晶的尺寸往往比表面細等軸晶區(qū)的晶粒等軸晶的尺寸往往比表面細等軸晶區(qū)的晶粒尺寸粗大。尺寸粗大。表面細等軸晶的形成機理

7、表面細等軸晶的形成機理：非均質(zhì)形核和大量游離晶：非均質(zhì)形核和大量游離晶粒提供了表面細等軸晶區(qū)的晶核，型壁附近產(chǎn)生較大粒提供了表面細等軸晶區(qū)的晶核，型壁附近產(chǎn)生較大過冷而大量生核，這些晶核迅速長大并且互相接觸，過冷而大量生核，這些晶核迅速長大并且互相接觸，從而形成無方向性的表面細等軸晶區(qū)。從而形成無方向性的表面細等軸晶區(qū)。中間柱狀晶的形成機理中間柱狀晶的形成機理：柱狀晶主要從表面細等軸晶：柱狀晶主要從表面細等軸晶區(qū)形成并發(fā)展而來，穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成處在凝區(qū)形成并發(fā)展而來，穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成處在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的單向熱流的作用下，固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的單向熱流的作用下

8、，便轉(zhuǎn)而以枝晶狀延伸生長。由于擇優(yōu)生長，在逐漸淘便轉(zhuǎn)而以枝晶狀延伸生長。由于擇優(yōu)生長，在逐漸淘汰掉取向不利的晶體過程中發(fā)展成柱狀晶組織。汰掉取向不利的晶體過程中發(fā)展成柱狀晶組織。內(nèi)部等軸晶的形成內(nèi)部等軸晶的形成是由于剩余熔體內(nèi)部晶核自由生長是由于剩余熔體內(nèi)部晶核自由生長的結(jié)果。的結(jié)果。2.常用生核劑有哪些種類，其作用條件和機理如何常用生核劑有哪些種類，其作用條件和機理如何?答：答：生核劑主要有兩類：生核劑主要有兩類：一類是起非自發(fā)形核作用；另一類是通過一類是起非自發(fā)形核作用；另一類是通過在生長界面前沿的成分富集而使晶粒根部和樹枝晶分枝根部產(chǎn)生縮頸，在生長界面前沿的成分富集而使晶粒根部和樹枝晶分

9、枝根部產(chǎn)生縮頸，促進枝晶熔斷和游離而細化晶粒。促進枝晶熔斷和游離而細化晶粒。 作用條件及機理：作用條件及機理：（1）對于第一類生核劑可以從三個方面來理解。）對于第一類生核劑可以從三個方面來理解。 第一種情況是孕育劑含有直接作為非自發(fā)生核的物質(zhì)，即一些與欲第一種情況是孕育劑含有直接作為非自發(fā)生核的物質(zhì)，即一些與欲細化相具有界面共格對應的高熔點物質(zhì)或同類金屬微小顆粒。它們在細化相具有界面共格對應的高熔點物質(zhì)或同類金屬微小顆粒。它們在液態(tài)金屬中可直接作為欲細化相的有效襯底而促進非均質(zhì)生核。液態(tài)金屬中可直接作為欲細化相的有效襯底而促進非均質(zhì)生核。 第二種情況，孕育劑能與液相中某些元素第二種情況，孕育劑

10、能與液相中某些元素(最好是欲細化相的原子最好是欲細化相的原子)反應生成較穩(wěn)定的化合物而產(chǎn)生非自發(fā)生核。此化合物應與欲細化相反應生成較穩(wěn)定的化合物而產(chǎn)生非自發(fā)生核。此化合物應與欲細化相具有界面共格對應關系而能促進非均質(zhì)生核。具有界面共格對應關系而能促進非均質(zhì)生核。 第三種情況，通過在液相中造成很大的微區(qū)富集而迫使結(jié)晶相提前第三種情況，通過在液相中造成很大的微區(qū)富集而迫使結(jié)晶相提前彌散析出而生核。彌散析出而生核。（2）對于第二類生核劑，它的作用在于使枝晶產(chǎn)生更細的縮頸，其）對于第二類生核劑，它的作用在于使枝晶產(chǎn)生更細的縮頸，其結(jié)果必然導致結(jié)晶更易于游離。這種晶粒細化劑之所以使枝晶縮頸更結(jié)果必然導致

11、結(jié)晶更易于游離。這種晶粒細化劑之所以使枝晶縮頸更細，主要是溶質(zhì)的偏析造成的，在凝固過程中由于溶質(zhì)在枝晶側(cè)向的細，主要是溶質(zhì)的偏析造成的，在凝固過程中由于溶質(zhì)在枝晶側(cè)向的偏析，使此處的過冷度減少，從而使晶體的長大受到抑制而產(chǎn)生細的偏析，使此處的過冷度減少，從而使晶體的長大受到抑制而產(chǎn)生細的縮頸?？s頸。3 試述柱狀晶組織對鑄件性能的影響試述柱狀晶組織對鑄件性能的影響柱狀晶的凝固區(qū)域較窄小，在生長過程中容易從它的柱狀晶的凝固區(qū)域較窄小，在生長過程中容易從它的前方熔體中獲得液態(tài)金屬的補縮。同時，其橫向生長前方熔體中獲得液態(tài)金屬的補縮。同時，其橫向生長受到相鄰晶體的阻礙而使橫向分枝不能充分發(fā)展，分受到相

12、鄰晶體的阻礙而使橫向分枝不能充分發(fā)展，分枝較細。枝較細。因此，柱狀晶組織致密，不容易形成縮松和因此，柱狀晶組織致密，不容易形成縮松和晶間夾雜等宏觀缺陷。晶間夾雜等宏觀缺陷。但柱狀晶的各項性能存在著明但柱狀晶的各項性能存在著明顯的各向異性：顯的各向異性：縱向性能與橫向性能有著明顯的差別縱向性能與橫向性能有著明顯的差別。此外，柱狀晶的生長方向是與熱通量平行的。因而在此外，柱狀晶的生長方向是與熱通量平行的。因而在鑄件鑄件(錠錠)的轉(zhuǎn)角處或中心，從不同方向生長的柱狀晶彼的轉(zhuǎn)角處或中心，從不同方向生長的柱狀晶彼此相遇時形成的此相遇時形成的交界面，易于交界面，易于 聚集氣體和夾雜物聚集氣體和夾雜物，對，對

13、鑄件鑄件(錠錠)的性能有很大損害。的性能有很大損害。4 4 試述等軸晶組織對鑄件性能的影響試述等軸晶組織對鑄件性能的影響等軸晶是在成分過冷區(qū)和凝固區(qū)域較大的范圍內(nèi)等軸晶是在成分過冷區(qū)和凝固區(qū)域較大的范圍內(nèi)生長而成的。它的分枝比較發(fā)達。等軸晶的晶界生長而成的。它的分枝比較發(fā)達。等軸晶的晶界面積與其體積之比大于柱狀晶的晶界面積面積與其體積之比大于柱狀晶的晶界面積/ /體積體積比。故晶界夾雜等缺陷比較分散。且各晶粒取向比。故晶界夾雜等缺陷比較分散。且各晶粒取向具有宏觀的各向同性，具有宏觀的各向同性，故其性能比較均勻和穩(wěn)定。故其性能比較均勻和穩(wěn)定。其缺點是枝晶分枝比較發(fā)達，顯微縮松較多，組其缺點是枝晶

14、分枝比較發(fā)達，顯微縮松較多，組織不夠致密。這些缺點通常經(jīng)晶粒細化加以克服。織不夠致密。這些缺點通常經(jīng)晶粒細化加以克服。影響鑄件宏觀凝固組織的因素：液態(tài)金屬的成分、鑄型影響鑄件宏觀凝固組織的因素：液態(tài)金屬的成分、鑄型的性質(zhì)、澆注條件、冷卻條件。的性質(zhì)、澆注條件、冷卻條件。 獲得細等軸晶的常用方法：獲得細等軸晶的常用方法：1. 孕育處理：向熔體中加入強生核劑，直接作為外加晶孕育處理：向熔體中加入強生核劑，直接作為外加晶核的生核劑；采用含強成分過冷元素的生核劑。核的生核劑；采用含強成分過冷元素的生核劑。2. 控制澆注條件：（控制澆注條件：（1）采用較低的澆注溫度，低溫澆注）采用較低的澆注溫度，低溫澆

15、注有利于產(chǎn)生較多游離以及使游離晶粒不重熔；（有利于產(chǎn)生較多游離以及使游離晶粒不重熔；（2）采）采用合適的澆注工藝。用合適的澆注工藝。3. 動態(tài)下晶粒細化：振動、攪拌、鑄型旋轉(zhuǎn)等方法。動態(tài)下晶粒細化：振動、攪拌、鑄型旋轉(zhuǎn)等方法。4. 鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構：（鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構：（1）采用金屬型鑄造；）采用金屬型鑄造； （2）減小液態(tài)金屬與鑄型表面的潤濕角；）減小液態(tài)金屬與鑄型表面的潤濕角； （3）提高鑄型表面粗糙度。）提高鑄型表面粗糙度。5. 試分析影響鑄件宏觀凝固組織的因素，列舉獲得細等軸晶的常用方法。試分析影響鑄件宏觀凝固組織的因素，列舉獲得細等軸晶的常用方法。6. 在在 一般情況下希望鑄件獲

16、得細等軸晶組織，為什一般情況下希望鑄件獲得細等軸晶組織，為什么？怎樣才能獲得？么？怎樣才能獲得？等軸晶是在成分過冷區(qū)和凝固區(qū)域較大的范圍內(nèi)等軸晶是在成分過冷區(qū)和凝固區(qū)域較大的范圍內(nèi)生長而成的。它的分枝比較發(fā)達，晶界夾雜等缺生長而成的。它的分枝比較發(fā)達，晶界夾雜等缺陷比較分散。且各晶粒取向具有宏觀的各向同性，陷比較分散。且各晶粒取向具有宏觀的各向同性，故其性能比較均勻和穩(wěn)定。故其性能比較均勻和穩(wěn)定。細等軸晶組織有著較為理細等軸晶組織有著較為理 想的綜合機械性能，疲想的綜合機械性能，疲勞強度也隨著晶粒的細化而提高。勞強度也隨著晶粒的細化而提高。獲得等軸晶方法：獲得等軸晶方法：7. 對于厚大金屬型鋼錠如何獲得細等軸晶組織？對于厚大金屬型鋼錠如何獲得細等軸晶組織？降低澆注溫度：較低的澆注溫度一方面有利于從降低澆注溫度：較低的澆注溫度一方面有利于從型壁上脫離的晶粒、枝晶熔斷產(chǎn)生的晶粒以及自型壁上脫離的晶粒、枝晶熔斷產(chǎn)生的晶粒以及自由表面產(chǎn)生的晶粒雨更多地殘存下來，減少被重由表面產(chǎn)生的晶粒雨更多地殘存下來，減少被重新熔化的數(shù)量；另一方面，由于熔體的過熱度小新熔化的數(shù)量；另一方面，由于熔體的過熱度小易于產(chǎn)生較多的游離晶粒。這兩方面對等軸晶的易于產(chǎn)生較多的游離晶粒。這兩方面對等軸晶的形成和細化有利。但是澆注溫度不能過低。形成和細化有利。但是澆注