金屬凝固習題答案

1、液態(tài)金屬成型原理習題一（第一章第三章）1.根據(jù)實驗現(xiàn)象說明液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)。描述實際液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)實驗依據(jù)：實驗數(shù)據(jù)液體結(jié)構(gòu)定性推論熔化時，約3-5%的體積膨 脹。原子間距增加1-1.5%,排列松散LbLm與固態(tài)相比，金屬原子的結(jié)合鍵破壞很少部分熔化時嫡增大排列的有序性下降，混亂度增加氣、液、固相比較，液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)更接近固態(tài)1）多數(shù)金屬熔化有約3-5%的體積膨脹，表明原子間距增加1-1.5%;2）熔化時嫡增大，表明原子排列混亂程度增加，有序性下降；3）汽化潛熱遠大于熔化潛熱，比值=15-28,液態(tài)結(jié)構(gòu)更接近固態(tài)；4）衍射圖的特征可以用 近程有序概括；僅在幾個原子間距范圍內(nèi)，質(zhì) 點的排列與固態(tài)相似，排

2、列有序；液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)：液體是原子或分子的均質(zhì)的、密集的、短程有序”的隨機堆積集合體。其中既無晶體區(qū)域，也無大到足以容納另一原子的空穴。與理想結(jié)構(gòu)不同，實際金屬含有雜質(zhì)和合金元素，存在著能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏和成分起伏.估計壓力變化10kbar引起的銅的平衡熔點的變化。已知液體銅的摩爾體積為8.0 10-6m3/mol ,固態(tài)為7.6 10-6m3/mol ,熔化潛熱Lm=13.05kJ/mol ,熔點為 1085 Co41.56K.推導凝固驅(qū)動力的計算公式，指出各符號的意義并說明凝固驅(qū)動力的本 質(zhì)。本質(zhì)：凝固驅(qū)動力是由過冷度提供的，過冷度越大，凝固驅(qū)動力越大。.在環(huán)境壓力為100kPa下，在緊靠熔

3、融金屬的表面處形成一個直徑為 2 pm 的穩(wěn)定氣泡時，設氣泡與液體金屬的=0.84N/m,求氣泡的內(nèi)壓力。P=100kPa +(2*0.84N/m)/(1*10-6m)=1780kPa.如何區(qū)分周一液界面的微觀結(jié)構(gòu)？界面結(jié)構(gòu)判據(jù)：Jackson因子 &Z X=0.5時，？G=min,粗糙界面；3 X 0或1時，？G=min,光滑界面；.推導均質(zhì)形核下臨界晶核半徑和臨界形核功，并說明過冷度對二者的影 響.細化晶粒的目的？選擇形核劑時的應遵循哪些原則？目的：增加晶粒數(shù)目，降低晶粒尺寸，增大晶界面積。溶質(zhì)和雜質(zhì)等分 布更加均勻，晶?；ハ嘁Ш暇o密，使機械性能得到提高。原則：1）應遵循共格對應原則，共格

4、或半共格，潤濕角越小越好；2）固體質(zhì)點表面上原子的排列方式與新相中某一晶面上的原子排列方式相 似，原子間距相近或成比例；3）形核劑本身或與合金液反應后的產(chǎn)物可 作為生核劑；4）形核劑穩(wěn)定，高溫難熔、不溶解于金屬液，不帶入雜質(zhì)。.鋼內(nèi)微量硫化物在985c形成共晶相（該溫度下為液態(tài)），設晶粒間界面 張力1,晶粒和共晶相間的界面張力 2, 1/ 2 2,試用簡圖表示常溫 下硫化物分布形態(tài)，并說明理由。cos 0 /2=ss/2 sl,根據(jù)題意，oSS2oSL,表面張力無法維持平衡。低熔點液相S化物便沿晶界形成帶尖角的薄膜狀。凝固后形成斷續(xù)網(wǎng) 狀夾雜物，嚴重降低鋼的性能。液態(tài)金屬成型原理習題二（第四章

5、第六章）1）（）砂型鑄造下圖所示圓柱形鑄鋼件（單位為 mm）。根據(jù)工藝需要加 設冒口。如凝固系數(shù)為0.9cm/min1/2,分別估算計算和不計算冒口時，鑄件 凝固完畢所需的時間。n艮根據(jù) Chvorinov 法則，r = (V/S) 2/K2, 不計算冒口時：38.7 min.計算冒口時45.8 min.2）砂型鑄造一個二元合金鑄件。成分為 8%B。其相圖如下。合金凝固時液相 被充分攪拌，忽略固相擴散。共晶溫度時a中溶解11.3%B。Ce=66%B。問1）最后錠中是否有共晶組織？若有，占多少？2）根據(jù)晶體生長理論，繪出其凝固組織（鑄態(tài)）示意圖。3）說明凝固組織是否穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，如何得 到穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，

6、繪出穩(wěn)態(tài)組織示意圖，說明理由。8%B1若有共晶組織,則最后凝固的Cl = Ce,重量為與根據(jù)Scheil方程， CL=CofL(k-1),假設分配系數(shù) k 為常數(shù)，k=11.3/66=0.171;即有：fE = (Ce /Co) 1處=(66/8) 1/(0.171-1)= 0.078 = 7.8%2根據(jù)相圖，在砂型鑄造條件下，首先形成a枝晶。由于合金凝固時液相充分攪拌，固相擴散不充分，不平衡凝固導致后凝固相溶質(zhì)富集，最后 7.8%液相達到Ce,在初生a晶周形成共晶，如下左圖示。這種共晶組織 可能是離異共晶，晶周形成單&合金為a+網(wǎng)相組織。3這種共晶組織為亞穩(wěn)組織，高溫退火可以得到下右圖示穩(wěn)態(tài)

7、組織。3)在確定合金成分后，能否從相圖確定金屬凝固組織？為什么？ 在確定合金成分后，不能僅僅根據(jù)相圖確定金屬凝固組織，理由如下： A.相圖是平衡圖，只能用于預測平衡凝固組織；B.在通常凝固條件下，由于動力學條件的限制，都是非平衡結(jié)晶；固、 液相成分都偏離相圖，常常出現(xiàn)亞穩(wěn)相；工藝條件對凝固組織有強烈的 影響。4)()生產(chǎn)需要分析下圖示鑄鋼件的化學成分，請確定鉆取化學分析試樣 的位置，說明原因?？梢栽诤?2mm的法蘭部位取幾個試樣，取其分析平均值。由于溶質(zhì)再分配及擴散的不均勻，取樣的組織在不同部位可能有很大差異。 澆注的金屬在鑄件薄壁快冷部位迅速凝固，溶質(zhì)來不及擴散，其化學成分 基本代表液體金屬

8、的平均成分5)依據(jù)凝固過程溶質(zhì)再分配規(guī)律，開發(fā)出一種材料提純的工藝，稱為區(qū)域提 純(Zone Refining),生產(chǎn)高純材料。請闡述它的原理和技術要點，并繪 出示意圖。根據(jù)凝固過程溶質(zhì)再分配規(guī)律，兩種典型的非平衡凝固 棒狀試樣的溶質(zhì)分布規(guī)律如圖示。利用它們都有將溶質(zhì)集中 到后凝的試樣末端區(qū)的規(guī)律，設計一個區(qū)域加熱器，使長條 形金屬從一端至另一端順序被局部熔化，又重新結(jié)晶，如右 圖所示。經(jīng)多次重復操作，溶質(zhì)被集中在右端，左端獲得高 純金屬，達到提純目的。幅區(qū)、加熱瑞 固體4寸體6)()紡織機用襯環(huán)是用砂型鑄造方法生產(chǎn)的最薄的零件之一，如下圖所示。材質(zhì)為高速鋼。鋼液密度為 7000kg/m3,設

9、鋼液表面張力為1.96N/m, 完全不潤濕型砂。求充填時，和滲入孔隙為0.01mm的砂隙時，為克服表面張力所必須的附加壓力及相應的金屬壓頭。如果將壁厚加大到2mm,計算新的所需壓力值根據(jù)題意，鋼液完全不潤濕砂型，9 = 180o附加壓力=2 6 /相應的，p gh =2 o- /r則金屬壓頭h=2 r p g7）已知鋁液溫度為 7800c，粘度=1.06 10-3 N.s/m2,密度=2400kg/m3。 鋁液中含有 Al 2O3球形顆粒，密度 =4000kg/m3,半徑r = 0.001mm。求Al 2O 3 下沉速度。V = 2r2 （微 一丫雜）/ 9 4=3.3-6m栩8）盛鋼桶內(nèi)鋼液

10、深度為2米，設鋼液粘度=6.5 X0-3 N.s/m2,密度 =7000kg/m3,鋼液表面張力是1.87N/m,求：a）若采用靜置法除氣，問靜置15分鐘后，能浮到液面的最小氣泡半徑；b）上述最小氣泡在鋼包底部所承受的壓力（1大氣壓二105牛頓/m2）。a）設氣泡密度為0;最底層氣泡上浮平均速度V=h/ r =2/15 x 60m/s能浮到液面的最小氣泡半徑：r = 9V4/ 2僦=丫雜）1/230.8 pmb）環(huán)境壓力為100kPa,氣泡在鋼包底部所承受的壓力：P=100kPa +（2X1.87N/m）/30.8 10-6m+7000kg/m3 9.81m/S2 2m=358769Pa9）下

11、圖示三種金屬在砂型中凝固時溫度分布的近似值，那一種最接近實際？原因？砂型鑄造傳熱特點是：k型/ k金1；鑄件斷面內(nèi)G很小，溫差很小，冷卻緩慢；鑄型則相反，溫差很大。因此，a)最接近實際。10) Cu-Sn、Cu-Al二元系相圖如下圖示。假定需要考慮用Cu-5%Al和Cu-10%Sn來鑄造相同的砂型鑄件，指出這兩種合金鑄件的凝固方式。簡述原 I TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark5 o Current Document 溫度，0cli 789。1OOOO OOOOO O111f 1flT110010001G4則0800a丫2CuW5 gj豺Al%合金凝固方式理由

12、Cu-5%Al傾1可逐層凝固根據(jù)相圖，合金凝固溫度范圍很窄Cu-19%Sn傾|可糊狀凝固合金凝固溫度范圍很寬，砂型導熱慢，溫度分布比 較平緩習題三1 .可采用哪些措施獲得并細化等軸晶？減小G/R,加大成分過冷，促進內(nèi)生生核；孕育處理、變質(zhì)處理，增加晶核數(shù)目，細化晶粒；促進液相流動、加強攪拌，促使枝晶熔斷和晶粒增殖，增加游離品數(shù)目.分析縮孔、縮松的形成原因和條件。鑄件冷卻凝固時，由于溫度降低和液-固相變，合金的液態(tài)收縮與凝固收縮大于 固態(tài)收縮，往往在最后凝固的部位出現(xiàn)孔洞，容積大而且集中的為孔洞；細小 而且分散的孔洞為縮松，稱縮孔，孔一一結(jié)晶溫度范圍窄，逐層凝固的合金松一一結(jié)晶溫度范圍寬，糊狀凝

13、固的合金.闡述灰鑄鐵件和球墨鑄鐵縮松的傾向性，二者為何具有自補縮”的性質(zhì)?二者的共同特點，奧氏體枝晶迅速布滿鑄件斷面，鑄件長期處于凝固狀態(tài); 且奧氏體枝晶具有很強連成骨架的能力，使補縮難以進行。所以，兩種鑄鐵都 有產(chǎn)生縮松的可能性?；诣T鐵，石墨為片狀，枝晶尖端與液體接觸，長速快。石墨長大時體積膨 脹大部分作用在枝晶間的液體上，迫使液體通過枝晶間的管道填充枝晶間、由 于液態(tài)收縮和凝固收縮形成的細小孔洞，可降低灰鑄鐵縮松的嚴重程度。即灰 鑄鐵的“自補縮”能力?；诣T鐵件一般不需要冒口。球墨鑄鐵，石墨為球狀，四周為奧氏體外殼，石墨通過碳原子的擴散長大。 當共晶團長大到相互接觸后，石墨的膨脹力只有一小部

14、分作用在液體上，大部 分作用在相鄰的共晶團或奧氏體枝晶上，趨向把他們擠開。如鑄性剛度不夠，膨脹力將迫使型壁外移，鑄件膨脹，共品團間隙擴大，鑄件斷面布滿顯微縮松。 如鑄型剛度足夠，石墨的膨脹力反傳回鑄件，有可能將縮松壓合。這是的球鐵 也可看作是具有“自補縮”能力。.為什么時效處理后鑄件內(nèi)的應力可以得到緩解？如鑄件存在殘余應力，必然使品格產(chǎn)生畸變，畸變晶格上的原子勢能較高，極 不穩(wěn)定。鑄件經(jīng)時效處理，由于受到溫度變化或振動等作用，原子有足夠的時 問和條件不斷發(fā)生能量交換，能量趨于均衡?；兊木Ц竦靡曰謴?，鑄件變形, 應力可被減弱或消除。.裂紋的種類？如何區(qū)分？裂紋：熱裂、冷裂區(qū)分時可根據(jù)裂紋的斷口

15、的顏色，或裂紋走向、分叉程度等進行判斷。.砂型鑄造T形梁，尺寸如下圖示，從厚部澆入金屬。分析冷卻過程鑄件內(nèi) 部應力的狀況，形成原因。冷卻至室溫后是否有殘余應力？如有，方向如何？ 是否會形成變形，如何變形？由于冷卻速度不同引起的應力 -熱應力；厚15mm的薄區(qū)先凝固，冷卻快, 收縮受上面厚部阻礙，薄受拉，厚受壓；繼續(xù)冷卻到較低溫度，厚部冷卻快， 薄受壓，厚受拉； 殘余應力：薄受壓，厚受拉;變形：兩邊上翹。.生產(chǎn)下左圖示箱形灰鑄鐵機床鑄件。出現(xiàn)貫穿箱體的裂紋缺陷，局部的裂紋 形貌如下右圖箭頭示。判斷缺陷類型，說明原因。a）裂紋分析：從照片無法判斷斷口氧化情況。但是，裂紋比較直而且規(guī)則， 外形呈連續(xù)

16、直線和圓滑曲線狀。鑄件壁被整齊地貫穿拉斷，斷口干凈。根據(jù)這 些特征，判斷為冷裂。b）冷裂形成條件及機理：當鑄件冷卻到較低溫度時，鑄造應力超過合金的強 度極限而產(chǎn)生。形成鑄造應力的原因可以是機械阻礙收縮、熱應力和相變應力.使用含氮樹脂砂生產(chǎn)鑄鋼件，退火后，在靠近冒口的鑄件表面出現(xiàn)深淺不同 的垂直小孔，內(nèi)表光滑，在斷面上形態(tài)如下圖示。判斷缺陷類型，說明形成這 類缺陷通常要具備的條件及形成機理。01-3mm d鑄件表面鑄件內(nèi)部孔洞a）鑄件退火和表面清理后，表面氧化層脫落，暴露出圖示小孔洞，這是典型的反應性氣孔缺陷，又被稱作皮下氣孔。b）皮下氣孔孔是一種反應性氣孔。在高溫金屬液作用下，在金屬液 -鑄型

17、界面 處產(chǎn)生化學反應，產(chǎn)生氣體。反應產(chǎn)物會以原子狀態(tài)溶解到液體金屬中。造成 鑄件表層氣體濃度增高。當表層凝固，激冷晶粒生長成微小的柱狀晶，溶質(zhì)再 分配導致在凝固前沿溶質(zhì)富集，在微縮孔和氧化物表面形成氣泡，晶周的小氣 孔隨著也長成細長條狀。.生產(chǎn)下右圖示鑄鋼套筒鑄件。 在筒壁出現(xiàn)裂紋缺陷，如下左圖示。判斷缺陷 類型，說明形成這類缺陷通常要具備的條件及形成機理。a）裂紋分析：從照片無法判斷斷口氧化情況。但是，裂紋外觀形狀曲折而不 規(guī)則，分叉，外形呈撕裂特征。根據(jù)這些特征，初步判斷為熱裂。b）熱裂形成條件及機理：當鑄件接近固相線，凝固即將結(jié)束，晶界上可能還 有少量液相存在時，合金呈脆性，強度和塑性都

18、很低。如果這時鑄造應力超過 合金的強度極限，極易開裂。鑄件收縮受阻可以形成應力；鑄件壁厚差異過大, 先凝固的薄壁收縮，可以使厚壁受拉而開裂。11支座鑄件已設計下列兩個鑄造工藝方案。問：1）各工藝方案是按什么凝固順 序原則設計的？ 2）各有什么優(yōu)點和缺點？1）上左圖方案按順序凝固原則設計工藝。金屬從厚壁處經(jīng)過冒口澆入，在最后充填區(qū)的熱節(jié)（厚壁處）設置冷鐵。整個鑄件從左至右溫度逐漸升高。如果 冒口設計正確，這種工藝保證鑄件內(nèi)部致密，但工藝出品率低（澆冒口重量大）。 鑄件內(nèi)部溫差大，導致內(nèi)應力會加大，裂紋傾向大。2）上右圖方案按同時凝固原則設計工藝。 不設冒口。金屬從薄壁處澆入，最后 充填厚壁處，并在該處設置冷鐵。力圖使整個鑄件溫度均勻。這種工藝澆冒口 重量小，工藝出品率高。將縮孔留在鑄件內(nèi)部。鑄件內(nèi)部溫差小，因而內(nèi)應力 小，裂紋傾向小。3）假設鑄件材質(zhì)為Cu-5%Al ,要求致密，應當選用那個方案？4）假設鑄件材質(zhì)為Cu-10%Sn,鑄件不要求滲漏檢查，選用那個