-液態(tài)金屬結(jié)晶的基本原理

1、第六章液態(tài)金屬結(jié)晶的基本原理 1、怎么從相變理論理解液態(tài)金屬結(jié)晶過程中的生核、成長機(jī)理? 答：相變理論：相變時(shí)必須具備熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件。 金屬結(jié)晶屬一種相變過程： 熱力學(xué)條件即過冷度AT驅(qū)動(dòng)力AGV 動(dòng)力學(xué)條件：克服能障熱力學(xué)能障界面自由能一一形核 動(dòng)力學(xué)能障一一激活自由能AGA長大 若在體系內(nèi)大范圍進(jìn)行，則需極大能量，所以靠起伏，先生核一一主要克服熱力學(xué)能障， 然后出現(xiàn)最小限度的過渡區(qū)界面”，此界面逐漸向液相內(nèi)推移一一長大(主要克服動(dòng)力學(xué)能障)c 2、試述均質(zhì)生核與非均質(zhì)生核之間的區(qū)別與聯(lián)系，并分別從臨界晶核曲率半徑、生核功兩 個(gè)方面闡述外來襯底的濕潤能力對臨界生核過冷度的影響。要滿足純金

2、屬非均質(zhì)生核的熱力學(xué)要 求，液態(tài)金屬必須具備哪兩個(gè)基本條件？ 43432-3cosco4 但V均=一nr非=一兀rf(6)f(9)= 334 ,非均質(zhì)生核所需體積小，即相起伏時(shí)的原子數(shù)少。 3. *16IpT.*,* (2)AG均=2r4G非=G均f(a) 3LT 兩種均需能量起伏克服生核功，但非均質(zhì)生核能需較小。 (3)右圖看出TTAT非 即：對r*:日與*的影響. (4)生核功： (5)純金屬非均質(zhì)生核的熱力學(xué)條件： 液態(tài)金屬需具備條件(1)液態(tài)金屬需過冷(2)襯底存在。 3、物質(zhì)的熔點(diǎn)就是固、液兩相平衡存在的溫度、試從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)闡述式(43)中r*與AT 之間關(guān)系的物理意義。 2；小0

3、 L：T 答：式43r均= 2-LC LGV 2二LCT。 當(dāng)T=To時(shí)，兩相平衡; 當(dāng)T(-lnAFKTi取決于A(處于過冷狀態(tài)，且相變驅(qū)動(dòng)力克服此能 障) 動(dòng)力學(xué)能障：，GA 5、從原子尺度看，決定周一液面微觀結(jié)構(gòu)的條件是什么？各種界面結(jié)構(gòu)與其生長機(jī)理和生長速度之間有何聯(lián)系？它們的生長表面和生長防線各有什么特點(diǎn)？ a2平整界面 動(dòng)力學(xué)因素：連續(xù)生長一一粗糙界面結(jié)構(gòu)一一非平衡時(shí) 丁卜1小：平整界面的生長平整界面結(jié)構(gòu) (2) 粗糙界面：連續(xù)生長R=ui3Tk CT 完整平整界面：二維生核R=U2e.Tk 非平整界面：螺旋生長，R=uJTk2答：(1)熱力學(xué)因素: a=KTV Tkt 連續(xù)生長

4、旋轉(zhuǎn)單晶， 反射單晶。 (3) 生長方向：粗糙界面：各向同性的非晶體單晶等，生長方向與熱流方向相平行， J平整界面：密排線相交后的棱角方向 生長表面:粗糙界面：因是各向同性，光滑的生長表面。 、平整界面：棱角分明的密排小品面， 6、 我們從什么尺度著眼討論單晶合金的結(jié)晶過程的？它與結(jié)晶的原子過程以及最后的晶粒組織之間存在什么聯(lián)系？ 答： (1)從宏觀尺度著眼討論單相合金的結(jié)晶過程，主要是與原子尺度”相區(qū)別的。 (2)與結(jié)晶的原子過程之間的關(guān)系： 不同的結(jié)晶方式：平面生長一胞狀生長一枝晶生長。 原子過程：小面生長和非小面生長。 任何一種生長方式都可以是小面生長或非小面生長 (3)與最后的晶粒組織

5、之間的聯(lián)系。 平面生長：單晶或無分支的柱狀晶組織。 胞狀生長：胞狀晶一一一簇為一些平行排列的亞結(jié)構(gòu)。 柱狀枝晶生長：柱狀枝晶。 等軸枝晶生長(內(nèi)生長)：等軸枝晶。 7、某二元合金相圖如圖所示。合金液成分為WB=40%,置于長瓷舟中并從左端開始凝固。溫度 梯度達(dá)到足以使周一液界面保持平面生長。假設(shè)周相無擴(kuò)散，液相均勻混合。試求：(1)a相與液相之間的平衡分配系數(shù)k；(2)凝固后共晶體的數(shù)量占試棒長度的百分之幾？ (3)畫出凝固后的試棒中溶質(zhì)B的濃度沿試棒長度的分布曲線，并注明各特征成分及其位置 * 解：(1)k0=1=0.5CL60 (2)根據(jù)公式 二共晶體占試棒長度的44.4% (3) _*_

6、._ CS=k0C0=0.540%=20% c_* T=500CCS=30% 8、假設(shè)上題合金成分為WB=10% (1)證明已凝固部分(fs)的平均成分CS為CS=CM(1fs：Nfs (2)當(dāng)試棒凝固時(shí)，液體成分增高，而這又會降低液相線溫度。證明液相線溫度TL與fs之間關(guān) 系為TL=T+mC(1-fs)k0式中To為A的熔點(diǎn)，m為液相線傾率。 (3)在相圖上標(biāo)出TL分別為750C、700C600c與500c下的周相平均成分。問試棒中將有百 分之幾按共晶凝固？ *k0.1 (2) TL=T0+mCL=T0+mCL=T0+mC0(1-fs) (3) 700 3 0.89 7.5 600 4.5

7、0.95 8.1 500 6 0.97 8.6 T=500C,fL=1-0.97=0.03=3%,3%按共晶結(jié)晶。 CL=C”C0fLM臚啜fL嚕10CL=60 9、周相無擴(kuò)散，液相均勻混合。假設(shè)圖PQ線是CS(Tt時(shí)固相成分)與界面處固相成分CS的算數(shù) 平均值。試證：CS=C02-k0 證明：C0=C 2 10、何謂成分過冷判據(jù)？成分過冷的大小受哪些應(yīng)訴的影響？它又是如何影響著晶體的生長方式和結(jié)晶狀態(tài)的？所有的生長方式都僅僅由成分過冷因素決定嗎？ 即：判據(jù)條件成立時(shí)，則存在成分過冷；反之，不會出現(xiàn)生分過冷(2)成分過冷的大小受以下因素影響 a、合金本身：COmkDL b、工藝因素：GLR (

8、3) 答：(1)Cs.fs+CLfL=C0 WB=10%CO=0.1 答：(1)成分過冷判據(jù)GL4M mCo1 DLk。 無成分過冷 小成分過冷 較寬成分過冷 寬成分過冷 方式 平面生長 胞狀生長 枝晶生長 等軸枝晶 狀態(tài) 單晶、柱狀晶 胞晶 柱狀枝晶 等軸晶 (4)不是所有的生長方式僅由成分過冷因素決定。 a、純金屬：無成分過冷。 b、過冷熔體的內(nèi)生長，不一定存在成分過冷。 c、游離品的形成造成等軸晶生長。 11、已知在鑄錠和鑄件中R2.5乂10嗔，多數(shù)金屬在液相線溫度下DL&10JCm/s;|m|1o假設(shè)Ps=Pi,試分別求出下表中當(dāng)Co=10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、1%、0.01%以及ko

9、=0.4與0.1時(shí)的確保平面生長所必須的Gl值。考慮到鑄錠或鑄件中一般情況下Gl35/Cm,根據(jù)計(jì)算結(jié)果你能得出什么結(jié)論？ 10%(重量) 1%(重量) 0.01%(重量) 0.4 0.1 答.GI;mC0(1-k0)G之mC0(1k。R n.R-Dik01-Dik0 結(jié)論： k0容易平面生長 c0J容易平面生長 一般鑄造條件下很少平面生長。 12、共晶結(jié)晶中，滿足共生生長和離異生長的基本條件是什么？共晶兩相的固液界面結(jié)構(gòu)與其共生區(qū)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)之間有何關(guān)系？它們對共晶合金的結(jié)晶方式有何影響？ 答： (1)共生生長的基本條件： a.共晶兩相應(yīng)有相近的析出能力，原析出相 面的雙向核心 b.界面沿溶質(zhì)原

10、子的橫向擴(kuò)散能保證共晶兩相等速生長，使共生生長得以繼續(xù)進(jìn)行。 (2)離異生長的基本條件 一相大量析出，而另一相尚未開始結(jié)晶時(shí)，形成晶相偏析型離異共晶組織。 在領(lǐng)先相得表面生核，從而便于形成具有共生界 合金成分偏離共晶點(diǎn)很遠(yuǎn)，初品相長的很大，共晶成分的殘面液體很少，另一相得生核困難：偏離共晶成分，初晶相長的較大，另一相不易生核或 當(dāng)領(lǐng)先相為另一相的暈圈”，被封閉時(shí)，形成領(lǐng)先相成球狀結(jié)構(gòu)的離異共晶組織. (3)兩相周-液界面結(jié)構(gòu)分為： 非小面一非小面共晶合金：共生區(qū)對稱； 非小面一小面共晶合金：非對稱共生區(qū)，偏向非金屬高熔點(diǎn)一側(cè)； (4)非小面-非小面：共面生長：層片狀，棒狀，碎片狀，特殊：離異 非小面-小面：可以共生生長，與以上不同：當(dāng)生長界面在局部是不定的，固液界面參差不 齊，領(lǐng)先相的生長形態(tài)決定著共生兩相的結(jié)構(gòu)形態(tài)。 產(chǎn)生封閉暈圈”時(shí)，離異生長方式。 13、小面-非小面共晶生長的最大特點(diǎn)是什么？它與變質(zhì)處理之間的關(guān)系是什么？ 答：最大特點(diǎn)：小面相在共品生長中的各向異性行為決定了共晶兩相組織結(jié)構(gòu)的基本特征。由于平 整界面本身存在著各種不同的生長機(jī)理，故這類共品合金比非小面-非小面共晶合金具有更復(fù)雜的組織形態(tài)變化。即使同一種合金在不同的條件下也能形成變種形態(tài)互異、性能懸殊的共生 共晶甚至共晶組織。 與變質(zhì)處理間的關(guān)系： 變質(zhì)處理主要改變領(lǐng)先相(小面相)的界面生