液態(tài)金屬結(jié)晶的基本原理

1、第六章液態(tài)金屬結(jié)晶的根本原理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：相變時必須具備熱力學(xué)和動力學(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.汀驅(qū)動力Gv動力學(xué)條件：克服能障熱力學(xué)能障動力學(xué)能障界面自由能一一形核激活自由能AGa長大假設(shè)在體系內(nèi)大范圍進(jìn)行，那么需極大能量，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(主要克服動力學(xué)能障)。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 金屬非均質(zhì)生核的熱

2、力學(xué)要求，液態(tài)金屬必須具備哪兩個根本條件？* *答:( 1) r均寸非2；二 lc2；二 lcToGv 一 L T相等23co s coS44q4q但V均r3V非r3f 二33非均質(zhì)生核所需體積小，即相起伏時的原子數(shù)少。*TEC | c 0*. _(2) 均 = 22= :G均 f 二3 L2AT2兩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vT非即：對r :-與厶T非的影響.(4) 生核功:L2訂河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院f VJ .G 0 ：能量起伏一二!5純金屬非均質(zhì)生核的熱力學(xué)條件:2 LC-Gv163 lcT22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

3、、物質(zhì)的熔點就是固、液兩相平衡存在的溫度、試從這個觀點出發(fā)闡述式43中r*與T之間關(guān)系的物理意義2 二 LCGv2；二 lcTLT當(dāng)T =To時，兩相平衡；當(dāng)T :：: To時，趨于固相：即固相教液相穩(wěn)定；式中看出 二T r均也oT 即T ，此時固相更穩(wěn)定，更易于發(fā)生相變，就以較小的r均即可穩(wěn)定 存在。4、液態(tài)金屬生核率曲線特點是什么？在實際的非均質(zhì)生核過程中這個特點又有何變化？答：實際非均質(zhì)生核率受襯底面積大小的影響， 當(dāng)襯底面積全部充滿后，生核率 曲線中斷，即不再有非均質(zhì)生核。相變、生核、成長中的熱力學(xué)及動力學(xué)：1相變：熱力學(xué)條件：T，可以提供相變驅(qū)動力，Gv o動力學(xué)條件：克服熱力學(xué)能障

4、和動力學(xué)能障。2生核：克服能障：熱力學(xué)界面自由能、動力學(xué)Ga 作用小，對生核率影響小3生長：熱力學(xué)能障：Gv -1 n Af KTi 取決于Af 處于過冷狀態(tài)，且相變驅(qū)動力克服此能障河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院動力學(xué)能障：:Ga5、從原子尺度看，決定固一液面微觀結(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？它們的生長外表和生長防線各有什么特點？答: 1熱力學(xué)因素:Lo (n)(碼的)I & I IkTlv丿I R八v丿a ： 2粗糙界面一一平衡結(jié)構(gòu)a 2平整界面動力學(xué)因素：大：連續(xù)生長 一一粗糙界面結(jié)構(gòu) 一一非平衡時也Tk i小：平整界面的生長一一平整界面結(jié)構(gòu)2粗糙界面

5、：連續(xù)生長R二UiTk完整平整界面：二維生核訂k 連續(xù)生長非平整界面：螺旋生長， R = U3 Tk2 。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，平整界面：密排線相交后的棱角方向生長外表:粗糙界面：因是各向同性，光滑的生長外表-平整界面：棱角清楚的密排小晶面，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 f胞狀生長f 枝晶生長。原子過程：小面生長和非小面生

6、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、某二元合金相圖如下圖。合金液成分為Wb =40%，置于長瓷舟中并從左端開始凝固。溫度梯度到達(dá)足以使固 一液界面保持平面生長。假設(shè)固相無擴(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)ko ；( 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) ko =仝二30

7、 =0.5CL60(2)根據(jù)公式CL =C0fLkoCl =60%0 5329_40.6 = 0.4 fLf Lf L 4共晶體占試棒長度的44.4%(3)fS =0 CSS 二 k0C0 = 0.5 40% = 20%T=500CCS 二 30%8假設(shè)上題合金成分為Wb =10%(1) 證明已凝固局部(fS )的平均成分Cs為CsfS(2) 當(dāng)試棒凝固時，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 =To mCofsko -式中To為A的熔點，m為液相線傾率。3在相圖上標(biāo)出Tl分別為750C、700C、600C與500E下的固相平均成分。問試棒中將有百分之幾

8、按共晶凝固？Clk0 二答：1 Cs fs Cl 仇二C。Wb =10%C。=0.1Cs fs C0(1-fs)_1-fs 二 CSC _ C0 1 一 1 一s s*k 1(2) TL =T0 +mCi_ =T0 + mCL =T0 + mC0(1 - fs )(3)Tl =750C(1 fs 廣5 =2.25fs =0.8Cs = 6.9%70030.897.56004.50.958.150060.978.6T = 500C , fL = 1 - 0.97 = 0.03 = 3% ,3%按共晶結(jié)晶。5=4=5/ , J0, fL=7 吳,c =10 5=60ClIC 丿9、固相無擴(kuò)散，液相

9、均勻混合。假設(shè)圖 PQ線是CsTt時固相成分與界面處固相成分C；的算數(shù)平均值。試證：C； = C 2 - k證明：CoCS CS2CS = koCoCok0C0 Cscs 二 2C0 - koCo = Co(2 - ko)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？答:(1)成分過冷判據(jù)mCo (1 - ko )DLk0即：判據(jù)條件成立時，那么存在成分過冷；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：Co m k0 Dlb、工藝因素：GlR(3)無成分過冷小成分過冷較

10、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(3) 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、游離晶的形成造成等軸晶生長。11、在鑄錠和鑄件中R 25 1cms，多數(shù)金屬在液相線溫度下Dl 0 cm/s ；|m| 1。假設(shè)s = P|，試分別求出下表中當(dāng)C0=1O%質(zhì) 量分?jǐn)?shù)，下同、1%、0.01%以及ko =0.4與0.1時確實保平面生長所必須的 Gi 值。考慮到鑄錠或鑄件中一般情況下 G： 35 C cm ,根據(jù)計算結(jié)果你能得 出什么結(jié)論？10%重 量1%重 量0.01%重 量

11、0.40.1答:Gi mC 1 &mC 1 k。RDRC0= 10%GiGiC0-04 2.5 10 =-3.75 103m100.4-2.5 10： =2.25“104m10 0.1=1%GiGi職25 10 75 102m1 m 1-0.4C0_33.2.5 10- 2.25 10 m10 0.1-0.01Gi0.01 10 m 1-0.42.5 10=-3.75m100.40.01 10 m 1-0.4a52.5 10-2.25m結(jié)論：k0-容易丨面生長 c。-容易平面生長-T1 -T2 r越容易平面生長Gi10 0.1一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

12、的根本條件是什么？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共生生長的根本條件：a. 共晶兩相應(yīng)有相近的析出能力，原析出相在領(lǐng)先相得外表生核，從而便于形成具有共生界面的雙向核心。b. 界面沿溶質(zhì)原子的橫向擴(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離異生長的根本條件一相大量析出，而另一相尚未開始結(jié)晶時，形成晶相偏析型離異共晶組織。 合金成分偏離共晶點很遠(yuǎn)，初晶相長的很大，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，形成領(lǐng)先相成球狀結(jié)構(gòu)的離異共 晶

13、組織.3兩相固-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，離異生長方式。13、小面-非小面共晶生長的最大特點是什么？它與變質(zhì)處理之間的關(guān)系是什 么？答：最大特點：小面相在共晶生長中的各向異性行為決定了共晶兩相組織結(jié)構(gòu)的 根本特征。由于平整界面本身存在著各種不同的生長機(jī)理，故這類共晶合金 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長動力學(xué)過程，改變其結(jié) 構(gòu)，從而改變共晶組織的結(jié)構(gòu)。14、圖為某二元共生共晶體積元的示意圖，設(shè)體積元是一個變長為1的立方體,假設(shè)相為棒狀其體積為Vr =：r2，:、1相間面積為Sr =2r，式中r為棒橫截面半徑，假設(shè)為片狀那么其體積為Vb =b,相間面積為Sb =2.試證明:口相燉肄狀1帽詢片我1 當(dāng) Vr 二 4.