金屬凝固原理復(fù)習(xí)大綱

1、金屬凝固原理復(fù)習(xí)大綱緒論1、凝固定義 宏觀上：物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。微觀上：激烈運(yùn)動(dòng)的液體原子回復(fù)到規(guī)則排列的過程。2、 液態(tài)金屬凝固的實(shí)質(zhì)：原子由近程有序狀態(tài)過渡為長(zhǎng)程有序狀態(tài)的過程 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特征：“近程有序”、“遠(yuǎn)程無序” 組成：液態(tài)金屬是由游動(dòng)的原子團(tuán)、空穴或裂紋構(gòu)成3、 液態(tài)金屬的性質(zhì)：粘度和表面張力 粘度的物理意義：?jiǎn)挝唤佑|面積，單位速度梯度下兩層液體間的內(nèi)摩擦力 粘度的本質(zhì)上是原子間的結(jié)合力 影響液體金屬粘度的主要因素是：化學(xué)成分、溫度和夾雜物 表面張力的物理意義：作用于表面單位長(zhǎng)度上與表面相切的力，單位N/m 影響液體金屬表面張力的主要因素是：熔點(diǎn)、溫度和溶質(zhì)元素。取

2、決于質(zhì)點(diǎn)間的作用力4、液體結(jié)構(gòu)的特性：近程有序和遠(yuǎn)程無序 晶體:凡是原子在空間呈規(guī)則的周期性重復(fù)排列的物質(zhì)稱為晶體。 單晶體:在晶體中所有原子排列位向相同者稱為單晶體 多晶體:大多數(shù)金屬通常是由位向不同的小單晶（晶粒）組成，屬于多晶體。 吸附是液體或氣體中某種物質(zhì)在相界面上產(chǎn)生濃度增高或降低的現(xiàn)象。 金屬?gòu)囊簯B(tài)過渡為固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為一次結(jié)晶 金屬?gòu)囊环N固態(tài)過渡為另一種固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為二次結(jié)晶 當(dāng)向溶液中加入某種溶質(zhì)后，使溶液表面自由能降低，并且表面層溶質(zhì)的濃度大于溶液內(nèi)部深度，則稱該溶質(zhì)為表面活性物質(zhì)（或表面活性劑），這樣的吸附稱為正吸附。反之，如果加入溶質(zhì)后，使溶液的表面自由能升高，并且

3、表面層的溶質(zhì)濃度小于液體內(nèi)部的濃度，則稱該溶質(zhì)為非表面活性物質(zhì)（或非表面活性劑），這樣的吸附為負(fù)吸附第1章 凝固過程的傳熱1、凝固過程的傳熱特點(diǎn)：“一熱、二遷、三傳” “一熱”指熱量的傳輸是第一重要； “二遷”指存在兩個(gè)界面，即固液相間界面和金屬鑄型間界面。 “三傳”指動(dòng)量傳輸、質(zhì)量傳輸和熱量傳輸?shù)娜齻黢詈系娜S熱物理過程。2、金屬型特點(diǎn)：具有很高的導(dǎo)熱性能；非金屬型鑄造特點(diǎn)：與金屬相比具有非常小熱導(dǎo)率，故凝固速度主要取決于鑄型的傳熱性能。鑄型外表面溫度變化不大，故可把鑄型看成是半無限厚的。第二章 凝固動(dòng)力學(xué)1、自發(fā)過程：從不平衡態(tài)自發(fā)地移向平衡態(tài)的過程（不可逆過程）2、化學(xué)勢(shì)：某一組元的化學(xué)

4、勢(shì)為1mol該組元物質(zhì)的吉布斯自由能，是1mol的恒溫等壓勢(shì)。3、公切線原理求相平衡P61.634、判斷平衡相（液相還是固相）P654、溶質(zhì)平衡分配系數(shù)K0：恒溫下固相溶質(zhì)濃度CS與液相溶質(zhì)濃度CL達(dá)到平衡時(shí)的比值。 K0=CS/CL=mL/mS=5、界面曲率對(duì)溶質(zhì)平衡分配系數(shù)k0影響：曲率半徑小的晶體，其固液界面前沿富集起來的液相溶質(zhì)濃度比曲率半徑大的晶體小。在理想溶液中是均勻向下移動(dòng)相圖中液固相線位置。6、壓力對(duì)溶質(zhì)平衡分配系數(shù)k0的影響：均勻地向上移動(dòng)相圖中液固相線位置。第3章 凝固動(dòng)力學(xué)1、形核：亞穩(wěn)定的液態(tài)金屬通過起伏作用在某些微觀小區(qū)域內(nèi)生成穩(wěn)定存在的晶態(tài)小質(zhì)點(diǎn)的過程。2、均質(zhì)形核

5、：在沒有任何外來的均質(zhì)溶體中，依靠液體金屬內(nèi)部自身結(jié)構(gòu)自發(fā)地形核。均質(zhì)形核在溶體各處概率相同，全部固液界面都由形核過程提供。因此熱力學(xué)能障大，所需驅(qū)動(dòng)力大。 異質(zhì)形核：在不均勻的溶體中依靠外來夾雜或型壁界面所提供的異質(zhì)界面進(jìn)行形核。異質(zhì)形核首先發(fā)生在外來界面處，因此能障較小，所需的驅(qū)動(dòng)力也較小。3、形核相變的驅(qū)動(dòng)力：固液相體積自由能差；阻力：界面能。4、形核速率是在單位體積中單位時(shí)間內(nèi)形成的晶核數(shù)目。5、在液相中那些對(duì)形核有催化作用的現(xiàn)成界面上形成的晶核稱為非自發(fā)形核6、均質(zhì)形核理論的局限性： 均質(zhì)形核是對(duì)理想純金屬而言的，其過冷度很大比實(shí)際液態(tài)金屬凝固時(shí)的過冷度大多了。實(shí)際上金屬結(jié)晶時(shí)的過冷

6、度一般為幾分之一攝氏度到十幾攝氏度。實(shí)際的液態(tài)金屬(合金)在凝固過程中多為異質(zhì)形核。7、均質(zhì)形核與異質(zhì)形核的異同：相同點(diǎn)：異質(zhì)形核的臨界晶核半徑在形式上與均質(zhì)形核臨界晶核半徑完全相同不同點(diǎn)：均質(zhì)形核臨界晶核是球體，而異質(zhì)形核的晶核為球體的一部分（球冠），因而異質(zhì)晶核中所含原子數(shù)目少，這樣的晶坯易形成。潤(rùn)濕角與均質(zhì)形核無關(guān)，而影響異質(zhì)晶核的體積8、 形核劑的條件：適配度小 粗糙度大 分散性好 溫穩(wěn)定性好9、當(dāng)晶格點(diǎn)陣適配度5% 時(shí)，通過點(diǎn)陣畸變過渡，可以實(shí)現(xiàn)界面兩側(cè)原子之間的一一對(duì)應(yīng)。這種界面稱為完全共格界面，其界面能較低，襯底促進(jìn)非均質(zhì)生核的能力很強(qiáng)；當(dāng)5%25%時(shí)為部分共格界面；當(dāng)25% 時(shí)

7、，為不共格，夾雜物襯底無形核能力。10、界面共格對(duì)應(yīng)原則：固相雜質(zhì)表面的原子排列規(guī)律和原子（晶粒細(xì)化劑的選擇原則）間距與新相晶核相近。（晶粒細(xì)化劑選擇原則）11、粗糙界面（非小晶面）：微觀粗糙，宏觀光滑。非小晶面長(zhǎng)大。大部分金屬屬于此類。光滑界面（小晶面）：微觀光滑，宏觀粗糙。小晶面長(zhǎng)大。非金屬、類金屬（Bi、Sb、Si）屬于此。第4章 單相合金的凝固1、合金可分為單相合金和多相合金兩大類。單相合金是指在凝固過程中只析出一個(gè)固相的合金，如固溶體、金屬間化合物等。多相合金是指凝固過程中同時(shí)析出兩個(gè)以上新相的合金如有共晶、包晶或偏晶轉(zhuǎn)變的合金。2、溶質(zhì)再分配：合金在凝固過程中，已析出固相排出多余的

8、溶質(zhì)原子（或溶劑原子），并富集在界面的液體中，造成成分分離的現(xiàn)象。（合金凝固過程的一大特點(diǎn)）3、平衡分配系數(shù)Ko實(shí)際上描述了在固、液兩相共存的條件下溶質(zhì)原子在界面兩側(cè)的平衡分配特征。4、成分過冷：合金晶體在長(zhǎng)大過程中，因溶質(zhì)再分配而引起的過冷，稱為成分過冷。其過冷度稱為成分過冷的過冷度。5、 熱過冷：金屬凝固過程中，純粹由熱擴(kuò)散控制形成的過冷，稱為熱過冷，其過冷度稱為熱過冷的過冷度。6、 成分過冷條件：合金凝固過程中溶質(zhì)在固-液界面前沿富集；滿足成分過冷判別式。7、 成分過冷的過冷度在生長(zhǎng)著的固-液界面處最小，離開界面逐漸增大，因此界面很不穩(wěn)定。8、 成分過冷降低了實(shí)際過冷度，阻礙了晶體的生長(zhǎng)

9、。凡是溶質(zhì)富集的地方，那里成分過冷就越大，其過冷度就越小，該處生長(zhǎng)就越慢。9、 影響成分過冷的因素：由成分過冷判據(jù)式可知，下列因素有利于成分過冷：液相中溫度梯度小，GL??；晶體生長(zhǎng)速度快，v大；陡的液相線斜率，mL大；原始成分濃度高，C0大；液相中溶質(zhì)擴(kuò)散慢，DL低；k01時(shí)，k0??；k01時(shí)，k0大備注：和屬于工藝因素，-屬于合金方面因素。10、強(qiáng)成分過冷元素（表面活性元素）的選取原則：熔點(diǎn)低 （液相線斜率陡，mL大）原子半徑大 （液相中溶質(zhì)擴(kuò)散慢，DL 低）在合金中的固溶度小 （k0?。?1、成分過冷的單相合金四種宏觀生長(zhǎng)方式（如右圖）：無成分過冷的平面生長(zhǎng) （GL1）窄成分過冷區(qū)的胞狀生

10、長(zhǎng) （GL2）較寬成分過冷區(qū)的柱狀樹枝晶生長(zhǎng) （GL3）寬成分過冷區(qū)的自由樹枝晶生長(zhǎng) （GL4）12、“外生生長(zhǎng)”與“內(nèi)生生長(zhǎng)”的概念：外生生長(zhǎng)：晶體自型壁生核，然后由外向內(nèi)單向延伸的生長(zhǎng)方式。平面生長(zhǎng)、胞狀生長(zhǎng)和柱狀枝晶生長(zhǎng)皆屬此類。內(nèi)生生長(zhǎng)：等軸枝晶在熔體內(nèi)部自由生長(zhǎng)的方式。13、合金固溶體凝固時(shí)的晶體生長(zhǎng)形態(tài)：v 不同的成分過冷情況（成分過冷主要結(jié)論?。o成分過冷平面晶窄成分過冷區(qū)間胞狀晶成分過冷區(qū)間較寬柱狀樹枝晶寬成分過冷內(nèi)部等軸晶 14、平面生長(zhǎng)胞狀生長(zhǎng)樹枝晶生長(zhǎng)演變過程：由大逐漸減小，即隨“成分過冷”程度增大，固溶體生長(zhǎng)方式變化為：平面晶胞狀晶胞狀樹枝晶(柱狀樹枝晶)內(nèi)部等軸晶(自

11、由樹枝晶)第五章 多相合金的凝固1、共晶組織的分類：規(guī)則共晶(金屬一金屬共晶)，屬于非小平面非小平面共晶。v 固一液界面：在原子尺度上是粗糙界面。v 組成：金屬金屬相或金屬金屬間化合物相。v 組織形態(tài)：層片狀及棒狀（出現(xiàn)哪種結(jié)構(gòu)要取決于：與相間的體積比第三組元的存在。若某一相體積分?jǐn)?shù)小于1/時(shí)，該相出現(xiàn)棒狀結(jié)構(gòu)；若體積分?jǐn)?shù)在1/-1/2之間時(shí)，兩相均以片狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。造成原因：結(jié)構(gòu)表面能的大小。體積分?jǐn)?shù)小于1/時(shí)，棒狀結(jié)構(gòu)表面能小于片狀結(jié)構(gòu)；體積分?jǐn)?shù)在1/-1/2之間時(shí)，片狀結(jié)構(gòu)表面能小于棒狀結(jié)構(gòu)）。v 決定共晶兩相長(zhǎng)大的因素：熱流的方向和兩組元在液相中的擴(kuò)散，兩相長(zhǎng)大過程互相依賴的關(guān)系是界面附

12、近的溶質(zhì)橫向擴(kuò)散。v 固一液界面形態(tài)：將近似地保持著平面，其等溫面基本上也是平直的。（每一相的長(zhǎng)大受著另一相存在的影響，當(dāng)共晶結(jié)晶時(shí)，兩相并排地結(jié)晶出來并垂直于固一液界面長(zhǎng)大）。非規(guī)則共晶(金屬一非金屬共晶)，屬于非小平面一小平面。v 固一液界面：一個(gè)是特定的晶面。v 組織形態(tài)：多種多樣，簡(jiǎn)化為片狀與絲狀兩大類。v 固一液界面形態(tài)：非平面的且是極不規(guī)則的，其等溫面也不是平直的。金屬金屬共晶與金屬非金屬共晶相同點(diǎn)：熱力學(xué)原理和動(dòng)力學(xué)原理一樣；不同點(diǎn)如上所述。2、 共生生長(zhǎng)：在共晶合金結(jié)晶時(shí)，后析出的相依附于領(lǐng)先相表面而析出，進(jìn)而形成相互交疊的雙相晶核且具有共同的生長(zhǎng)界面，依靠溶質(zhì)原子在界面前沿兩

13、相間的橫向擴(kuò)散，互相不斷地為相鄰的另一相提供生長(zhǎng)所需的組元，彼此偶合的共同向前生長(zhǎng)。3、 離異生長(zhǎng)：兩相沒有共同的生長(zhǎng)界面，它們各以不同的速度而獨(dú)立生長(zhǎng)，在形成的組織中沒有共生共晶的特征，這種非共生生長(zhǎng)的共晶結(jié)晶方式稱為離異生長(zhǎng)，所形成的組織稱為離異共晶。4、偏晶合金的最終顯微形貌將要取決于三個(gè)界面能、L1與L2的密度差以及固一液界面的推進(jìn)速度5、 晶體生長(zhǎng)機(jī)制（方式）：v 非小晶面結(jié)構(gòu)連續(xù)長(zhǎng)大（正常長(zhǎng)大）v 小晶面結(jié)構(gòu)側(cè)面長(zhǎng)大 二維晶核臺(tái)階 晶體缺陷臺(tái)階：螺位錯(cuò)、孿晶溝槽。6、“側(cè)面長(zhǎng)大”方式的三種機(jī)制：v 二維晶核機(jī)制：臺(tái)階在界面鋪滿后即消失，要進(jìn)一步長(zhǎng)大仍須再產(chǎn)生二維晶核。v 螺旋位錯(cuò)機(jī)

14、制：這種螺旋位錯(cuò)臺(tái)階在生長(zhǎng)過程中不會(huì)消失。v 孿晶面機(jī)制：長(zhǎng)大過程中溝槽可保持下去，長(zhǎng)大不斷地進(jìn)行。7、 非平衡狀態(tài)下的共晶生長(zhǎng)區(qū)P173第6章 金屬凝固的宏觀組織1、 澆注及凝固過程中液體的三種流動(dòng)形式:澆注時(shí)存在液流的沖刷強(qiáng)制對(duì)流。澆注時(shí)及澆注完畢后液體存在自然對(duì)流。存在著枝晶間及分枝間的液體流動(dòng)微觀流動(dòng)。2、金屬凝固的典型宏觀組織：表層細(xì)晶區(qū)內(nèi)部柱狀晶區(qū)：晶粒垂直于型壁排列，且平行于熱流方向中心等軸晶區(qū)：晶粒較為粗大3、獲得細(xì)等軸晶的措施：增大冷卻速度（V冷）和降低澆注溫度（t澆）加強(qiáng)液體在澆注和凝固期間的流動(dòng)（促使型壁上已凝固層晶體的脫落，分枝的熔斷脫落及脫落晶體的增殖。）孕育處理外加

15、晶核：（在澆注時(shí)向液流中加入被細(xì)化相具有界面共格對(duì)應(yīng)的高熔點(diǎn)物質(zhì)或同類金屬的碎粒，使之成為異質(zhì)形核的有效襯底，促使異質(zhì)形核，增加晶粒數(shù)而細(xì)化晶粒。）采用生核劑（加入的物質(zhì)不一定能作為晶核，但通過它與液態(tài)金屬的某些元素相互作用，能產(chǎn)生晶核或成為有效襯底，這類物質(zhì)稱為生核劑。）采用強(qiáng)過冷成分元素（強(qiáng)成分過冷元素在Al-Si合金中稱為變質(zhì)劑，生產(chǎn)中稱為變質(zhì)處理）孕育處理是指在凝固過程中，向液態(tài)金屬中添加少量其它物質(zhì)，促進(jìn)形核、抑制生長(zhǎng)，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。簡(jiǎn)答題目：1、 純金屬和實(shí)際金屬液態(tài)結(jié)構(gòu)有何異同？純金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)：接近熔點(diǎn)的液態(tài)金屬是由和原子晶體顯微晶體和“空穴”組成。 實(shí)際金屬的

16、液態(tài)結(jié)構(gòu)：存在著兩種起伏：能量起伏、濃度起伏。微觀上是由結(jié)構(gòu)和成分不同的游動(dòng)原子集團(tuán)，空穴和許多固態(tài)，氣態(tài)，液態(tài)化合物組成，是一種渾濁液體，而從化學(xué)鍵上看除了金屬基體與其合金元素組成的金屬鍵外，還存在著其他化學(xué)健。2、 液態(tài)金屬的基本特征是什么？有固定的體積。有很好的流動(dòng)性。物理化學(xué)性質(zhì)接近于固態(tài)，而遠(yuǎn)離氣態(tài)。3、 相平衡條件相平衡時(shí)，每一組元在共存的各相中的化學(xué)勢(shì)都必須相等。在k個(gè)元素含有p個(gè)相的體系中，恒溫等壓的化學(xué)平衡條件是：4、 固液界面在結(jié)構(gòu)上有哪兩種類型？他們?cè)谖⒂^和宏觀上的特點(diǎn)是什么？光滑界面（小平面）和粗糙界面（非小平面）。粗糙界面：微觀粗糙，宏觀光滑；光滑界面：微觀光滑，宏觀

17、粗糙。5、 界面類型的實(shí)質(zhì)是什么？能量最低時(shí)的原子沉積幾率不同。能量最低時(shí)原子沉積幾率近似為0或1，說明是光滑界面；能量最低時(shí)原子沉積幾率近似為遠(yuǎn)離0或1，說明是粗糙界面。6、 討論長(zhǎng)大機(jī)制與過冷度的關(guān)系。過冷度小，按螺位錯(cuò)方式長(zhǎng)大；過冷度大，連續(xù)長(zhǎng)大；二維晶核長(zhǎng)大在任何情況下，可能性都不大。7、 形核的首要條件是什么？形核的首要條件是系統(tǒng)必須處于亞穩(wěn)態(tài)提供相變驅(qū)動(dòng)力；其次需要通過起伏作用克服能障才能形成穩(wěn)定存在的晶核并確保其進(jìn)一步生長(zhǎng)。8、 為什么自發(fā)形核的臨界形核功等于形成臨界形核表面能的1/3？見P939、 均質(zhì)形核機(jī)制必須具備哪些條件？冷液體中存在相起伏，以提供固相晶核的晶胚。形核導(dǎo)致

18、體積自由能降低，界面自由能提高。為此，晶胚需要體積達(dá)到一定尺寸才能穩(wěn)定存在。過冷液體中存在能量起伏和溫度起伏，以提供臨界形核功。為維持形核功，需要一定的過冷度10、 即三個(gè)基本條件：過冷度，能量起伏，結(jié)構(gòu)起伏。為什么過冷度是液態(tài)金屬凝固的驅(qū)動(dòng)力？等壓條件下，體系自由能隨溫度升高而降低，且液態(tài)金屬自由能隨溫度降低的趨勢(shì)大于固態(tài)金屬。在熔點(diǎn)附近凝固時(shí)，熱焓和熵值隨溫度的變化可忽略不計(jì)，則有相變驅(qū)動(dòng)力：過冷度TT-Tm為金屬凝固的驅(qū)動(dòng)力，過冷度越大，凝固驅(qū)動(dòng)力越大；金屬不可能在TTm時(shí)凝固。11、 為什么說異質(zhì)形核比均質(zhì)形核容易？影響異質(zhì)形核的基本因素和其他條件是什么？（1） 因?yàn)榫|(zhì)形核在其形核過程中為克服過程中的能障，所需要的過冷度是很大的，而實(shí)際金屬凝固過程中的過冷度遠(yuǎn)小于此，所以較難發(fā)生；對(duì)異質(zhì)形核而言，液態(tài)金屬中存在一些微小的固相雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)，并且液態(tài)金屬在凝固時(shí)還和型壁相接觸，于是晶核就可以優(yōu)先依附于這些現(xiàn)成的固體表面形核，因此形核所需的過冷度大大降低，所以異質(zhì)形核比均質(zhì)形核更容易。12、 界面共格對(duì)應(yīng)原則的實(shí)質(zhì)是什么？增大固、液兩相界面附著力，減小異質(zhì)形核的形核功，使固相質(zhì)點(diǎn)成為異質(zhì)形核的有效襯底。13、 成分過冷的判據(jù)式（有過冷/無過冷）無成分過冷判據(jù)式