金屬凝固原理思考題解答.docx

1、金屬凝固原理思考題.外表張力、界面張力在凝固過程的作用和意義。.如何從液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)解釋自發(fā)形核的機(jī)制。答：晶體熔化后的液態(tài)結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)程無序，而短程內(nèi)卻存在不穩(wěn)定的、接近有序的原子集 團(tuán)。由于液態(tài)中原子運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈，在其平衡位置停留時(shí)間甚短，故這種局部有序排列的原 子集團(tuán)此消彼長(zhǎng)，即結(jié)構(gòu)起伏和相起伏。當(dāng)溫度降到熔點(diǎn)以下，在液相中時(shí)聚時(shí)散的短程有 序原子集團(tuán)，就可能成為均勻形核的晶胚，從而進(jìn)行均勻形核。.從最大形核功的角度，解釋dG/dr 。的含義。.外表張力、界面張力在凝固過程和液態(tài)成形中的意義。.在曲率為零時(shí)，純銀的平衡熔點(diǎn)為 1723K，假設(shè)銀的球形試樣半徑是1cm, u m,372其熔

2、點(diǎn)溫度各為多少 H=18058J/mol, Vm=606cm/mol ,。=255義 10 J/cm6.（與第18題重復(fù)）證明在相同的過冷度下均質(zhì)形核時(shí)，球形晶核與立方形晶核哪種更易形成。答：對(duì)于球形晶核：過冷液中出現(xiàn)一個(gè)晶胚時(shí)，總的自由能變化為 G= （4nr3 43）+4 nr 2。臨界晶核的半徑為r ,由d G/dr=0求得：r =-2。/ G=2 oT/L T,那么臨界形*323 22核的功及形核功為：G球=16兀。/3 G尸16叮。Tm/3（Lm T）.*32對(duì)于立方形晶核：同理推得臨界半徑形r =-4 o / Gv,形核功 G方=32。/ Gv。那么 G球v G方，所以在相同的過冷

3、度下均質(zhì)形核時(shí)，球形晶核比立方形晶核更容易。.用平面圖表示，為什么晶體長(zhǎng)大時(shí)，快速長(zhǎng)大的晶體平面會(huì)消失，而留下長(zhǎng)的速度較慢的平面。.用相變熱力學(xué)分析為何形核一定要在過冷的條件下進(jìn)行。答：在一定溫度下，從一相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪幌嗟淖杂赡茏兓篏= H-T So令液相到固相G=H-S 可知，為熔化熱,G=H-S 可知，為熔化熱,轉(zhuǎn)變的單位體積自由能變化為：Gv=Gs-Gl, （Gs. Gl分別為固相和液相單位體積自由能）。由Sm-Ss-Sl Lm/T m, ( Im-To由上式可知:T=TGv= (Hs-Hl) T(Ss-Sl) o 由于恒壓下，Hp=Hs-HL=-Lm,Sm為熔化端）。整理以上各式得：&

4、 T,其中要使Gv 0,必須使要使Gv 0,即Tv T稱為過冷度。相變熱力學(xué)條件說明：實(shí)際凝固溫度 m低于熔點(diǎn)溫度，即形核一定在過冷的條件下進(jìn)行。.證明在相同的過冷度下均質(zhì)形核時(shí)，球形晶核與立方形晶核哪種更易形成。試導(dǎo)出平衡凝固及液相完全混合條件下凝固時(shí)T*與fs的關(guān)系。Ge-Ga錠中含有GalOppm （質(zhì)量分?jǐn)?shù)），凝固速度R為8X10-6 m/s,無對(duì)流現(xiàn)象，試?yán)L出凝固后錠長(zhǎng)度上的成分分布圖，給出最初成分、最后過渡區(qū)的長(zhǎng)度。設(shè)Dl=5義10-5 cm2/s, ko=.從溶質(zhì)再分配的角度出發(fā)，解釋合金鑄件中宏觀偏析形成的原因及其影響因素。.根據(jù)成分過冷理論，闡述工藝和合金兩個(gè)方面的因素對(duì)結(jié)晶

5、形貌的影響方式。.在揭示鑄件內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)制和控制鑄件凝固組織方面，大野篤美的實(shí)驗(yàn)有何意義。.在片層狀規(guī)那么共晶的生長(zhǎng)過程中，界面上各組元原子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其與生長(zhǎng)速度的關(guān)系。.在長(zhǎng)大速度一定的條件下，溫度梯度Gl是否影響規(guī)那么共晶的片層間距原因何在 答：影響。因?yàn)闇囟忍荻扔绊懡缑媲把氐某煞诌^冷。隨著溫度梯度的減小，界面前沿成分過冷增加，共晶生長(zhǎng)界面容易失穩(wěn)。當(dāng)有較小的成分過冷區(qū)時(shí)，平面生長(zhǎng)就被破壞，界面某些地方的凸起進(jìn) 一步凸向液體，但因成分過冷區(qū)小，凸起局部不可能有較大伸展，于是形成胞狀組織；當(dāng)成分過 冷區(qū)很大時(shí)，凸起局部就繼續(xù)向過冷相中生長(zhǎng)，同時(shí)在側(cè)面產(chǎn)生分枝，形成二次軸，在二次軸

6、上 再長(zhǎng)出三次軸，于是形成樹枝狀組織。成分過冷更大時(shí)，可能導(dǎo)致共晶體在胞狀晶或樹枝晶尖端前沿液相內(nèi)大量形核，從而轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶。.如何認(rèn)識(shí)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特征，液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特征對(duì)形核有何影響。.試分析外表張力和界面張力形成的物理原因及其與物質(zhì)原子間結(jié)合力的關(guān)系。答：1、外表張力液體內(nèi)部的分子和分子間幾乎是緊挨著的，分子間經(jīng)常保持平衡距離，稍遠(yuǎn)一些就相吸， 稍近一些就相斥。但液面上層氣體分子間距相對(duì)來說超大，它對(duì)液面液體分子不存在斥力，這就導(dǎo)致一些液體外表上有些不規(guī)那么運(yùn)動(dòng)的液體分子沖破液體分子之間的引力，變成水蒸氣，這 樣液面就會(huì)變得分子稀薄，數(shù)目一少，分子間距就大了，這些液面分子之間的引力就占

7、主導(dǎo)，即所謂的液體外表張力，方向沿外表。向系統(tǒng)中加入異類原子能削弱系統(tǒng)原子間的結(jié)合能，結(jié)果導(dǎo)致外表能降低；一定溫度下，原 子間的結(jié)合力越大，外表內(nèi)能越大，外表自由能越高；外表能還與晶面有關(guān)，晶面為密排面時(shí)外表 內(nèi)能小?？傊?，原子間的結(jié)合力大的物質(zhì)，其熔點(diǎn)和沸點(diǎn)越高，其外表張力也越大。2、界面張力當(dāng)兩個(gè)相共同組成一個(gè)界面時(shí)，其界面張力的大小與兩相質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合力的大小成反比。2取兩個(gè)球體：A、Bo為形成一個(gè)A-B界面：將A、B分割為兩個(gè)半球，斷面積為1cm,所需要的 功為Waa、Wbb,將兩個(gè)A-B結(jié)合體分開所作的功為2Wab,而使它們?cè)俳Y(jié)合到一起所作的功為-2Wab9因此，產(chǎn)生兩個(gè)A-B界面所作

8、的功為：W =Waa+ Wbb -2Wab,因：Waa=2 y a； Wbb=2 y b,那么：Y ab= Y a+丫 b-Wab說明為使A-B結(jié)合體分禺作功越大(Wab越大)，界面能就越小，即兩相的結(jié) 合力越大，界面張力就越小，反之界面能(張力)越大。18.證明在相同的過冷度下均質(zhì)形核時(shí)，體積相同的球形晶核與立方形晶核哪種更易形成。*試導(dǎo)出平衡凝固及液相完全混合條件下 T L與f L的關(guān)系。答：證明，設(shè)球形半徑為ri ,立方形變長(zhǎng)為2,那么4?？?/3二32對(duì)于球形：過冷液中出現(xiàn)一個(gè)晶胚時(shí)，總的自由能變化為G= (4nri Gv/3 ) +4nn。臨界晶核的半徑為r 1* ,由d G/dr=

9、0求得：r：=-2。/ Gv=2 o Tm/L m T,那么臨界形核的功*323 22及形核功為：G 球二 16 兀。/3 Gv=16n。Tm/3(Lm T)對(duì)于立方形：過冷液中出現(xiàn)一個(gè)晶胚時(shí)，總的自由能變化為G=r3 G：6r 22o ,由d G/dr=O求得：r * =-4。/ G。那么臨界形核的功及形核功為：J / 2。2v方v那么 6球 G方，所以在相同的過冷度下均質(zhì)形核時(shí)，球形晶核比立方形晶核更容易19. Al-Cu (wc=1%)合金于單向凝固中生長(zhǎng)速度為3X IO cm/s,完全沒有對(duì)流(合金相圖中-52Ce=33% (Cu) , Csm=% ( Cu) , Tm=821K, ko 和你常數(shù),Dl=3X 10cm/s,根據(jù)成分過冷判別關(guān)系，需要保持平界面前沿的溫度梯度為多少，與穩(wěn)定態(tài)下，液-固界面的溫度是多少.試述細(xì)化鑄件凝固組織的途徑及其對(duì)獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的意義。答：一、細(xì)化鑄件凝固組織的途徑：1、增加過冷度增加過冷度，形核率迅速增大，且比晶體長(zhǎng)大速率更快，因此，在一般凝固條件下，增 加過冷度可使凝固后的晶粒細(xì)化；2、添加形核劑由于實(shí)際的凝固都是非均勻形核，為了提高形核率，可在熔液凝固之前加入能作為非均 勻形核基底的人工形核劑，且