金屬學(xué)與熱處理課后習(xí)題答案第二章_第1頁(yè)
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1、第二章 純金屬的結(jié)晶2-1 a)試證明均勻形核時(shí),形成臨界晶粒的Gk與其體積V之間關(guān)系式為Gk=VGv/2b)當(dāng)非均勻形核形成球冠狀晶核時(shí),其Gk與V之間的關(guān)系如何?答:2-2 如果臨界晶核是邊長(zhǎng)為a的正方體,試求出Gk和a之間的關(guān)系。為什么形成立方體晶核的Gk比球形晶核要大。答:2-3 為什么金屬結(jié)晶時(shí)一定要由過冷度?影響過冷度的因素是什么?固態(tài)金屬熔化時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)過熱?為什么?答:金屬結(jié)晶時(shí)需過冷的原因:如圖所示,液態(tài)金屬和固態(tài)金屬的吉布斯自由能隨溫度的增高而降低,由于液態(tài)金屬原子排列混亂程度比固態(tài)高,也就是熵值比固態(tài)高,所以液相自由能下降的比固態(tài)快。當(dāng)兩線相交于Tm溫度時(shí),即Gs=Gl,

2、表示固相和液相具有相同的穩(wěn)定性,可以同時(shí)存在。所以如果液態(tài)金屬要結(jié)晶,必須在Tm溫度以下某一溫度Tn,才能使GsGl,也就是在過冷的情況下才可自發(fā)地發(fā)生結(jié)晶。把Tm-Tn的差值稱為液態(tài)金屬的過冷度影響過冷度的因素:金屬材質(zhì)不同,過冷度大小不同;金屬純度越高,則過冷度越大;當(dāng)材質(zhì)和純度一定時(shí),冷卻速度越大,則過冷度越大,實(shí)際結(jié)晶溫度越低。固態(tài)金屬熔化時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)過熱及原因:會(huì)。原因:與液態(tài)金屬結(jié)晶需要過冷的原因相似,只有在過熱的情況下,GlGs,固態(tài)金屬才會(huì)發(fā)生自發(fā)地熔化。2-4 試比較均勻形核和非均勻形核的異同點(diǎn)。答:相同點(diǎn):1、 形核驅(qū)動(dòng)力都是體積自由能的下降,形核阻力都是表面能的增加。2、

3、 具有相同的臨界形核半徑。3、 所需形核功都等于所增加表面能的1/3。不同點(diǎn):1、 非均勻形核的Gk小于等于均勻形核的Gk,隨晶核與基體的潤(rùn)濕角的變化而變化。2、 非均勻形核所需要的臨界過冷度小于等于均勻形核的臨界過冷度。3、 兩者對(duì)形核率的影響因素不同。非均勻形核的形核率除了受過冷度和溫度的影響,還受固態(tài)雜質(zhì)結(jié)構(gòu)、數(shù)量、形貌及其他一些物理因素的影響。2-5 說明晶體生長(zhǎng)形狀與溫度梯度的關(guān)系。答:液相中的溫度梯度分為:正溫度梯度:指液相中的溫度隨至固液界面距離的增加而提高的溫度分布情況。負(fù)溫度梯度:指液相中的溫度隨至固液界面距離的增加而降低的溫度分布情況。固液界面的微觀結(jié)構(gòu)分為:光滑界面:從原

4、子尺度看,界面是光滑的,液固兩相被截然分開。在金相顯微鏡下,由曲折的若干小平面組成。粗糙界面:從原子尺度看,界面高低不平,并存在著幾個(gè)原子間距厚度的過渡層,在過渡層中,液固兩相原子相互交錯(cuò)分布。在金相顯微鏡下,這類界面是平直的。晶體生長(zhǎng)形狀與溫度梯度關(guān)系:1、 在正溫度梯度下:結(jié)晶潛熱只能通過已結(jié)晶的固相和型壁散失。光滑界面的晶體,其顯微界面-晶體學(xué)小平面與熔點(diǎn)等溫面成一定角度,這種情況有利于形成規(guī)則幾何形狀的晶體,固液界面通常呈鋸齒狀。粗糙界面的晶體,其顯微界面平行于熔點(diǎn)等溫面,與散熱方向垂直,所以晶體長(zhǎng)大只能隨著液體冷卻而均勻一致地向液相推移,呈平面長(zhǎng)大方式,固液界面始終保持近似地平面。2

5、、 在負(fù)溫度梯度下:具有光滑界面的晶體:如果杰克遜因子不太大,晶體則可能呈樹枝狀生長(zhǎng);當(dāng)杰克遜因子很大時(shí),即時(shí)在較大的負(fù)溫度梯度下,仍可能形成規(guī)則幾何形狀的晶體。具有粗糙界面的晶體呈樹枝狀生長(zhǎng)。樹枝晶生長(zhǎng)過程:固液界面前沿過冷度較大,如果界面的某一局部生長(zhǎng)較快偶有突出,此時(shí)則更加有利于此突出尖端向液體中的生長(zhǎng)。在尖端的前方,結(jié)晶潛熱散失要比橫向容易,因而此尖端向前生長(zhǎng)的速度要比橫向長(zhǎng)大的速度大,很塊就長(zhǎng)成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的晶體,稱為主干。這些主干即為一次晶軸或一次晶枝。在主干形成的同時(shí),主干與周圍過冷液體的界面也是不穩(wěn)的的,主干上同樣會(huì)出現(xiàn)很多凸出尖端,它們會(huì)長(zhǎng)大成為新的枝晶,稱為稱為二次晶軸或二次晶

6、枝。二次晶枝發(fā)展到一定程度,又會(huì)在它上面長(zhǎng)出三次晶枝,如此不斷地枝上生枝的方式稱為樹枝狀生長(zhǎng),所形成的具有樹枝狀骨架的晶體稱為樹枝晶,簡(jiǎn)稱枝晶。2-6 簡(jiǎn)述三晶區(qū)形成的原因及每個(gè)晶區(qū)的特點(diǎn)。答:三晶區(qū)的形成原因及各晶區(qū)特點(diǎn):一、表層細(xì)晶區(qū)形成原因:當(dāng)高溫金屬液體與鑄型接觸后,由于型壁強(qiáng)烈的吸熱和散熱作用,使靠近型壁的薄層金屬液體產(chǎn)生極大的過冷度,加上型壁可以作為非均勻形核的基底,因此在此薄層金屬液體中產(chǎn)生大量的晶核,并同時(shí)向各個(gè)方向生長(zhǎng)。由于晶核數(shù)目多,相鄰的晶粒很快彼此相遇,相互阻礙,不能繼續(xù)生長(zhǎng),這樣便在靠近型壁處形成一層很薄的細(xì)小等軸晶區(qū),又稱激冷等軸晶區(qū)。晶區(qū)特點(diǎn):該晶區(qū)晶粒十分細(xì)小,

7、組織致密,力學(xué)性能好,但厚度較薄,只有幾個(gè)毫米厚。二、柱狀晶區(qū)形成原因:在表層細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí),一方面型壁的溫度被高溫金屬液體和細(xì)晶區(qū)所釋放的結(jié)晶潛熱加熱而迅速升高,另一方面由于金屬凝固后的收縮,使細(xì)晶區(qū)和型壁脫離,形成一層空氣層,以上都給液體金屬的散熱造成困難,使液體金屬冷卻減慢,溫度梯度變得平緩。此時(shí),固液界面前沿過冷度減小,無法滿足形核的條件,不能形成新的晶核,結(jié)晶只能依靠靠近液相的某些小晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大來進(jìn)行,由于垂直于型壁的方向散熱最快,因此晶體沿其反方向擇優(yōu)生長(zhǎng),晶體在向液體中生長(zhǎng)的同時(shí),側(cè)面受到彼此的限制而不能生長(zhǎng),因此只能沿散熱方向的反方向生長(zhǎng),從而形成柱狀晶區(qū)。晶區(qū)特點(diǎn):1、 生

8、長(zhǎng)方向相同的柱狀晶晶粒彼此間的界面比較平直,組織比較致密。2、 柱狀晶存在明顯的弱面。當(dāng)沿不同方向生長(zhǎng)的柱狀晶相遇時(shí),會(huì)形成柱狀晶界,此處雜質(zhì)、氣泡、縮孔聚集,力學(xué)性能較弱。3、 力學(xué)性能呈方向性。三、中心等軸晶形成原因:隨著柱狀晶的發(fā)展,經(jīng)過散熱,鑄型中心部位的液態(tài)金屬的溫度全部降到熔點(diǎn)以下,再加上液態(tài)金屬中雜質(zhì)等因素的作用,滿足了形核對(duì)過冷度的要求,于是在整個(gè)液態(tài)金屬中同時(shí)形核。由于此時(shí)散熱已經(jīng)失去方向性,晶核在液體中可以自由生長(zhǎng),且在各個(gè)方向上的長(zhǎng)大速度相近,當(dāng)晶體長(zhǎng)大至彼此相遇時(shí),全部液態(tài)金屬凝固完畢,即形成明顯的中心等軸區(qū)。晶區(qū)特點(diǎn):1、 此晶區(qū)晶粒長(zhǎng)大時(shí)彼此交叉,枝叉間的搭接牢固,

9、裂紋不易擴(kuò)展。2、 該晶區(qū)晶粒較大,樹枝晶發(fā)達(dá),因此顯微縮孔較多,力學(xué)性能較差。2-7 為了得到發(fā)達(dá)的柱狀晶區(qū)應(yīng)該采取什么措施?為了得到發(fā)達(dá)的等軸晶區(qū)應(yīng)該采取什么措施?其基本原理如何?答:得到柱狀晶區(qū)的措施及其原理:1、 提高液態(tài)金屬過熱度。增大固液界面前沿液態(tài)金屬的溫度梯度,有利于增大柱狀晶區(qū)。2、 選擇散熱能力好的鑄型材料或增加鑄型的厚度,增強(qiáng)鑄型的冷卻能力。增大已結(jié)晶固體的溫度梯度,使固液界面前沿液態(tài)金屬始終保持著定向散熱,有利于增加柱狀晶區(qū)。3、 提高澆注速度,增大固液界面前沿液態(tài)金屬的溫度梯度。4、 提高熔化溫度。減少非金屬夾雜物數(shù)量,非均勻形核數(shù)目少,減少了在固液界面前沿形核的可能

10、性。得到等軸晶區(qū)的措施及其原理:1、 降低液態(tài)金屬過熱度。減小固液界面前沿液態(tài)金屬的溫度梯度,有利于縮小柱狀晶區(qū),增大中心等軸晶區(qū)。2、 選擇散熱能力一般的鑄型,降低鑄型的冷卻速度。減弱已結(jié)晶固體的溫度梯度,減弱液態(tài)金屬定向散熱的趨勢(shì),可以縮小柱狀晶區(qū),增大中心等軸晶區(qū)。3、 降低熔化溫度。增加液態(tài)金屬中廢金屬夾雜物的數(shù)目,非均勻形核數(shù)目多,增加了在固液界面前沿形核的可能性4、 降低澆注速度,可以降低固液界面前沿液態(tài)金屬的溫度梯度。2-8 指出下列錯(cuò)誤之處,并改正之。1)所謂臨界晶核,就是體積自由能的減少完全補(bǔ)償表面自由能增加時(shí)的晶胚大小。2)在液態(tài)金屬中,凡是涌現(xiàn)出小于臨界晶核半徑的晶胚都不能形核,但是只要有足夠的能量起伏提供形核功,還是可以形核。3)無論溫度分布如何,常

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