純金屬的凝固答案

1、第三章純金屬的凝固本章主要內(nèi)容:液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)；金屬結(jié)晶過程：金屬結(jié)晶的條件，過冷，熱力學(xué)分析，結(jié)構(gòu)條件晶核的形成：均勻形核：能量分析，臨界晶核，形核功，形核率，非均勻形核：形核功，形核率晶體的長大：動態(tài)過冷度（晶體長大的條件），固液界面微觀結(jié)構(gòu)，晶體長大機制，晶體長大形態(tài)：溫度梯度，平面長大，樹枝狀長大、結(jié)晶理論的應(yīng)用實例：鑄錠晶粒度的控制，單晶制備，定向凝固，非晶態(tài)金屬一、 填空仁在液態(tài)金屬中進行均質(zhì)形核時，需要結(jié)構(gòu) 起伏和能量起伏。1. 金屬凝固的必要條件是 過冷度和能量起伏。2. 細化鑄錠晶粒的基本方法是：（1）控制過冷度 ，（2）變質(zhì)處理，（3）振動、攪拌等 5、 形成臨界晶核時體積

2、自由能的減小只能補償新增表面能的 2/3。6、 液態(tài)金屬均質(zhì)形核時，體系自由能的變化包括（體積自由能）和（表面自由能）兩部分，其中一表面-2；九 r =自由能是形核的阻力，體積自由能是形核的動力；臨界晶核半徑K與過冷度厶T呈反比_Lm.IT _關(guān)系，臨界形核功 Gk等于 3（Lm也T）表面能的1/3。7 動態(tài)過冷度是 晶核長大時固液界面（前沿）的過冷度_。8在工廠生產(chǎn)條件下，過冷度增大，則臨界晶核半徑 減小，金屬結(jié)晶冷卻速度越快，N/G比值越大，晶粒越纟旺_小。9 制備單晶的基本原理是 保證一個晶核形成并長大一，主要方法有_尖端成核法和 垂直提拉法。10.獲得非晶合金的基本方法是 快速冷卻。1

3、1鑄錠典型的三層組織是 細晶粒區(qū),柱狀晶區(qū) ,等軸晶區(qū) 。12純金屬凝固時，其臨界晶核半徑的大小、晶粒大小主要決定于過冷度。14液態(tài)金屬凝固時， 異質(zhì)形核需要的過冷度比均質(zhì)形核小，這是因為_異質(zhì)形核時固相質(zhì)點可作為晶核長大，其臨界形核功較小。15、液態(tài)金屬凝固過程中晶體長大的方式有（垂直長大方式）和（橫向長大方式），其中大多數(shù)金屬采用（垂直長大方式）方式長大。、名詞解釋 過冷度，臨界晶核，臨界晶核半徑，自發(fā)形核，結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏，形核功，形核率，變質(zhì)處理, 異質(zhì)形核，非晶態(tài)金屬、光滑界面、粗糙界面、溫度梯度、三、判斷1純金屬中含有少量雜質(zhì)在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的。（V ）2臨界半徑rK大小僅與過冷

4、度有關(guān)。（X ）3液態(tài)金屬凝固時，臨界晶核半徑與過冷度成反比。（V ）4在液態(tài)金屬中形成臨界晶核時，體系自由能的變化為零。（X ）5任何溫度下液態(tài)金屬中出現(xiàn)最大結(jié)構(gòu)起伏是晶胚。（X ）6任何過冷度下液態(tài)金屬中出現(xiàn)的最大結(jié)構(gòu)起伏是晶核。（X ）只有超過臨界過冷度的最大結(jié)構(gòu)起伏其自由能呈降低趨勢,形成后可穩(wěn)定存在并有長大的趨勢。小于臨界過冷度的晶核自由能是增加的，形成后不能穩(wěn)定存在7濕潤角T1 =冗時，異質(zhì)形核最容易進行。（X ）9為了細化晶粒，工藝上采用增大過冷度的方法，這只對小件或薄件有效，而對較大厚壁鑄件并不適用。（V ）10從非均勻形核計算公式：A非均勻=A均勻（2-3cos于cos

5、9;p /4看出當于0°時固相雜質(zhì)相當于現(xiàn)成的大晶核。 （V ） 11理論凝固溫度與固/液界面處溫度之差，稱為動態(tài)過冷度。（X ）晶核長大過程中液固界面處液相的理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度之差在不斷變化，即過冷度在不斷變化，此即動態(tài)過冷度。12動態(tài)過冷度是指結(jié)晶過程中實際液相溫度熔點之差。（X ）13液態(tài)金屬結(jié)晶時，其臨界晶粒半徑rK是不變的恒定值。（X ）14液態(tài)金屬結(jié)晶時，其理論結(jié)晶溫度與固/液界面處溫度之差稱為臨界過冷度。（X ）rmax=rk，最大晶核剛好能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш?，把這樣的過冷度稱為臨界過冷度四、問答1根據(jù)凝固理論，試述細化晶粒的基本途徑及細化原因。解答：凝固的基本過程為

6、形核和長大，形核需要能量和結(jié)構(gòu)條件，形核和長大需要過冷度。細化晶粒的基本途徑可以通過加大過冷度，加入形核劑，振動或攪拌。晶粒大小對鑄錠（件）的性能有很大影響：在室溫條件下，一般金屬材料，其晶粒越細，強度、硬度、塑性 及韌性都同時提高-細晶強化。晶粒大小的控制對改善金屬的綜合性能具有重要的實際意義。2回答液態(tài)金屬凝固時均質(zhì)形核的有關(guān)問題：（1）寫出臨界晶核半徑k的表達式；_ 2b2% 15迢廠LmT（2）畫出k與過冷度T的關(guān)系曲線示意圖；（3）寫出形核功Gk與臨界晶核界面能的關(guān)系式；1 * G 二 A 二3（4）簡述均質(zhì)形核的必要條件。均勻形核是在過冷液態(tài)金屬中，依靠結(jié)構(gòu)起伏形成大于臨界晶核的晶

7、胚，同時必須從能量起伏中獲得形 核功，才能形成穩(wěn)定的晶核。結(jié)構(gòu)起伏與能量起伏是均勻形核的必要條件；同時，均勻形核還必須在一定的 過冷條件下進行。5 簡述液態(tài)金屬結(jié)晶時，過冷度與臨界晶粒半徑，形核功及形核率的關(guān)系。推導(dǎo)均質(zhì)形核純金屬凝固過程中臨界晶核半徑與過冷度的關(guān)系解答:G于液態(tài)金屬結(jié)晶時，均勻形核時臨界晶核半徑 K與過冷度厶T關(guān)系為C»3Tm216二GLm :T，臨界形核功 Gk等3(LmT 2。異質(zhì)形核時固相質(zhì)點可作為晶核長大，其臨界形核功較小，323二 Tm 2-3COS) cos 二2Gk'一,0為液相與非均勻形核核心的潤濕323cos v cos v 16 ：角。二

8、 GA l GkN = Cexp(+-)形核率與過冷度的關(guān)系為：kT kT ，其中N為形核率，C為常數(shù)， GA、 Gk分別表示形核時原子擴散激活能和臨界形核功。在通常工業(yè)凝固條件下形核率隨過冷度增大而增大。6簡述濕潤角日，雜質(zhì)粒子的晶體結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)對異質(zhì)形核的影響。解答：純金屬凝固時潤濕角0 = 0。，形核功為0,固相粒子促進形核效果最好；潤濕角0 = 180°,異質(zhì)形核功等于均勻形核功，固相粒子對形核無促進作用；潤濕角0° < 0 <180 °，形核功比均勻形核的形核功小，0越小，固相粒子促進形核效果越好。雜質(zhì)顆粒的晶體結(jié)構(gòu)與晶核相同或相近時，促進

9、形核效果好，當兩者結(jié)構(gòu)不相同時，一般對促進形核效果差或不促進形核。雜質(zhì)粒子的表面成凹形時，促進形核效果好，成平面狀時次之，凸形時最差。7 銅的熔點 Tm=1356K，熔化熱厶 Hm=1628J/cm2, ；：=177erg/cm2,點陣常數(shù) a=0.3615nm。求銅 T=100 C 時均-2"T勻形核的臨界核心半徑和每個臨界核心的原子數(shù)目。解答：在金屬凝固時，可以近似認為Lm= Hm,根據(jù)均勻形核時臨界晶核半徑rK與過冷度厶T關(guān)系為mrLm ：T，可以計算得到 r= 0.79X 10 7cm= 0.79nm。&何謂過冷，過冷度，動態(tài)過冷度，它們對結(jié)晶過程有何影響？解答：過冷是指金屬結(jié)晶時實際結(jié)晶溫度Tn比理論結(jié)晶溫度 Tm低的現(xiàn)象。過冷度 T指Tm與Tn的差值。動態(tài)過冷度指晶核長大時的過冷度。金屬形核和長大都需要過冷，過冷度增大通常使形核半徑、形核功減少，形 核過程容易，形核率增加，晶粒細化。9 :根據(jù)冷卻速度對金屬組織的