2010秋《金屬凝固》思考題最終版

1、金屬凝固過程及組織控制復(fù)習(xí)思考題1為什么說液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)更接近固態(tài)而非氣態(tài)？液體介于氣體和固體之間，大量的實驗數(shù)據(jù)證明它更接近于固體，特別是在接近熔點附近更是如此。首先，從熔化潛熱和汽化潛熱的對比上來看，汽化潛熱L與熔化潛熱Li之間的比值（L/L1）是很大的。以面心立方結(jié)構(gòu)為例，其汽化潛熱比熔化潛熱約大28倍，這就意味著將固體原子完全變成氣態(tài)所需的能量要比將同樣的原子從固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)所需的能量多28倍。（汽化潛熱遠(yuǎn)大于溶化潛熱）在金屬原子由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時，其熵值的增加相對于熔點前的熵值并不算大，特別對于金屬活性較強(qiáng)的元素更是如此。熵的增值愈大，意味著金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時原子的排列結(jié)構(gòu)紊亂性

2、愈大；反之，其紊亂性就愈小。所以，從金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)過程中熵的增值來看，可以再次說明，在熔點附近金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)與固態(tài)結(jié)構(gòu)相差不會太大。（ASm極小）m2液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)的特點有那些？這些特點在宏觀性能上是如何表現(xiàn)？液體狀態(tài)的結(jié)構(gòu)有以下特點：（1）原子間仍保持較強(qiáng)的結(jié)合能，因此原子排列在較小距離內(nèi)仍具有一定規(guī)律性，且其平均原子間距增加不大。金屬固體是由許多晶粒組成的，液體則是由許多原子集團(tuán)所組成，在原子集團(tuán)內(nèi)保持固體的排列特征，而在原子集團(tuán)之間的結(jié)合處則受到很大破壞。這種僅在原子集團(tuán)內(nèi)的有序排列稱為近程有序排列（shortrangeorder）。（2）由于液體中原子熱運(yùn)動的能量較大，每個原

3、子在三維方向都有相鄰的原子，經(jīng)常相互碰撞，交換能量。在碰撞時，有的原子將一部分能量傳給別的原子，而本身的能量降低了。結(jié)果是每時每刻都有一些原子的能量超過原子的平均能量，有些原子的能量則遠(yuǎn)小于平均能量。這種能量的不均勻性稱為能量起伏（fluetuationofenergy）。（3）液體中存在的能量起伏造成每個原子集團(tuán)內(nèi)具有較大動能的原子能克服鄰近原子的束縛（原子間結(jié)合所造成的勢壘），除了在集團(tuán)內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的熱運(yùn)動（產(chǎn)生空位及擴(kuò)散等）夕卜，還能成簇地脫離原有集團(tuán)而加入到別的原子集團(tuán)中，或組成新的原子集團(tuán)。因此所有原子集團(tuán)都處于瞬息萬變的狀態(tài)，時而長大時而變小，時而產(chǎn)生時而消失，此起彼落，猶如在不停頓

4、地游動。這種結(jié)構(gòu)的瞬息變化稱為結(jié)構(gòu)起伏（fluctuationofstructure）。（宏觀性能）上述三個特點決定了液態(tài)金屬的基本特征：1、有固定的體積。2、有很好的流動性。3、各種物理化學(xué)性質(zhì)接近于固態(tài)，而遠(yuǎn)離氣態(tài)。3液態(tài)金屬的表面張力概念是什么？液態(tài)金屬表面張力對鑄件的質(zhì)量有何影響？概念：對于液體和氣體界面上的質(zhì)點（原子或分子），由于液體的密度大于氣體的密度，故氣相對它的作用力遠(yuǎn)小于液體內(nèi)部對它的作用力，使表面層質(zhì)點處于不平衡的力場中。結(jié)果導(dǎo)致液態(tài)金屬表面層的質(zhì)點受到一個指向液體內(nèi)部的力，使液態(tài)表面有自動縮小的傾向。這相當(dāng)于在液態(tài)金屬表面有一個平行于表面且各向大小相等的張力，這個張力就是

5、表面張力表面張力對鑄坯質(zhì)量的影響：表面張力產(chǎn)生附加壓力P=2o/r，提高金屬液中氣體析出的阻力。表面張力產(chǎn)生附加壓力P=2o/r，影響金屬液與鑄型的相互作用。附加壓力為負(fù)值時（潤濕），鑄坯表面光滑，但反映鑄型型腔的能力較差。附加壓力為正值時（不潤濕）金屬液能很好地反映鑄型型腔，但是容易與鑄型粘結(jié)（粘砂），阻礙收縮，甚至產(chǎn)生裂紋。（附手工畫圖）4寬、窄結(jié)晶溫度范圍合金流動停止的機(jī)理和特點?窄結(jié)晶溫度范圍合金停止流動的過程可以分為以下幾個階段:(a)(c)過熱量未完全散失前為純液態(tài)流動（圖2-4a）。冷的前端在型壁上凝固結(jié)殼（圖2-4b）0后邊的金屬液在被加熱的管道中流動，冷卻強(qiáng)度下降。如圖24c

6、所示，由于液流通過I區(qū)終點時，尚有一定的過熱度，將已經(jīng)凝固的殼重新熔化，為第II區(qū)。所以，該區(qū)是先形成凝固殼，又被完全熔化。第III區(qū)是末被完全熔化而保留下來的一部分固相區(qū)，在該區(qū)的終點金屬液耗盡了過熱熱量。在IV區(qū)，液相和固相具有相同的溫度一一結(jié)晶溫度。由于在該區(qū)的起點處結(jié)晶開始較早，斷面上結(jié)晶完畢也較早，往往在它附近發(fā)生堵塞。前端液態(tài)金屬凝固收縮，形成吸力，產(chǎn)生喇叭狀縮孔。寬結(jié)晶溫度范圍的合金停止流動的過程可以分為以下幾個階段:（a）有過熱，純液態(tài)流動。（b）溫度低于液相線，析出晶體。析出的晶體順流前進(jìn)，并不斷長大。前端冷卻快，晶粒粗大。（c）前端晶粒達(dá)到一定數(shù)量，結(jié)成一個連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，阻礙

7、后邊的液態(tài)金屬流動，流動停止。所聯(lián)成的網(wǎng)受到后面液態(tài)金屬向前的推力，造成前突特征。5影響金屬充型能力的四方面因素和分析?（1）內(nèi)部因素金屬密度pj金屬比熱容c；1金屬導(dǎo)熱系數(shù)入；1金屬的結(jié)晶潛熱L；金屬的粘度n；金屬的表面張力o;金屬的結(jié)晶特點外部因素鑄型的蓄熱系數(shù)b2；鑄型的密度P2；鑄型的比熱容c；2鑄型的導(dǎo)熱系數(shù)入；2鑄型的溫度；鑄型的涂料層；鑄型的發(fā)氣性和透氣性工藝因素澆注溫度t,澆；靜壓頭H；澆注系統(tǒng)的壓頭損失工h澆；外力場(壓力、真空、離心、振動等);澆注時鑄坯的位置結(jié)構(gòu)因素鑄坯折算厚度R；鑄坯形狀復(fù)雜程度6臨界生核半徑和臨界生核功的導(dǎo)出和意義2OTnlaT(臨界生核半徑)則臨界生

8、核功I;I：AT7非均質(zhì)生核的界面共格對應(yīng)理論？非均質(zhì)生核：在不均勻熔體中依靠外來雜質(zhì)或型壁界面提供的襯底進(jìn)行生核的過程。所謂界面共格對應(yīng)是指結(jié)晶相和襯底物質(zhì)的兩側(cè)原子間顯現(xiàn)出有規(guī)律性的聯(lián)系，從而組成一個能量最低的界面。研究表明，只有當(dāng)襯底物質(zhì)的某一晶面與結(jié)晶相的某一晶面上的原子排列方式相似，而其原子間距相近或在一定范圍內(nèi)成比例時，才能實現(xiàn)界面共格對應(yīng)，這時界面能主要來源于兩側(cè)點陣失配所引起的點陣畸變，并可用點陣失配度來衡量。a-a8二一L*100%ac式中，as和ac分別為相應(yīng)的襯底晶面與結(jié)晶相晶面在無畸變下的原子間距。當(dāng)55%，通過點陣畸變過渡，可以實現(xiàn)界面兩側(cè)原子之間的對應(yīng)。這種界面成為

9、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%V80時，純金屬晶體界面前方不存在熱過冷，這時界面能最低的宏觀平坦的界面形態(tài)是穩(wěn)定的。生長中，每個晶體逆著熱流平行向內(nèi)伸展成一個個柱狀晶，如果開始只有一個晶粒，則可獲得理想的單晶體。熱過冷作用下的枝晶生長當(dāng)Gl0時，界面前方存在著一個大的熱過冷區(qū)。這時宏觀平坦的界面形態(tài)是不穩(wěn)定的。如果Gl0的情況產(chǎn)生于單向生長過程中，得到的將是柱狀枝晶；如果Gl0發(fā)生在晶體的自由生長過程中，則將形成等軸枝晶。2、成分過冷對結(jié)晶過程的影響(1)界面前方無成分過冷的平面生長G.idCj(1-ku)、,窄成分過冷區(qū)作用下的胞狀生長(cellulargr

10、owth)G.wCj(1-ku)k=一DLh3)寬成分過冷區(qū)作用下的枝晶生長(dendriticgrowth)柱狀枝晶生長等軸枝晶生長13.根據(jù)固-液界面前沿溶質(zhì)濃度的分布為:6(丿廠有些問題)R-CL推導(dǎo)出成分過冷判據(jù)。1-k_x1+0edlk0R1一kxmC?(1-kp)pCL(x2C0i+0edlkFdTr(x)-0dx00），t=t=t12FtF為界面溫度，所以Ci=tF得鑄件溫度場的方程式：t-tF+(tF-t,Jcrtt20丿初始條件：T=0,ti=ti。，所以牛飛一tiot；=C+D:erf(1?,)對于鑄型，其通解為;?同樣利用單值條件求出C2=tF,D2=t20-tF2F22

11、0Fi；e=th+(tju-tr)er：r(廠”得鑄型溫度場方程式：-1界面溫度t可利用界面處熱流連續(xù)的關(guān)系，即由下式求出。Fbitin+bdmif=經(jīng)整理得鑄件得蓄熱系數(shù)；“r鑄型得蓄熱系數(shù)。17凝固溫度場數(shù)值模擬法中有限差分法的原理?以有限差分法為例，介紹如下：圖4-3所示為一維傳熱問題。其導(dǎo)熱微分方程為t(T+AT,X)-t(TJX)ATt(T,X+AX)-2t(T,X)+t(T”X熱流i1T也x8A北x-圖-I3維均質(zhì)物體的分割E4-7凝固區(qū)域第構(gòu)示盍圖式中M2aW斷面的淋度一時間曲線b)離尚創(chuàng)態(tài)川線Q某時刻的凝崗狀態(tài)沿?zé)崃鞣较虬丫|(zhì)物體分割為若干單元，各單位的端面為一單位面積，單元長

12、度為Ax，用差分代替上述方程中的微分，可得到相應(yīng)的有限差分算式*T5tt(tI-At,x)=iit(T?X-Ax)=tilt(T,X)=tit(T?x+Ax)=ht；=2I1n+(M-2)ll+l3代入微分方程并整理后得到18.凝固動態(tài)曲線的來由、制作和作用？凝固動態(tài)曲線是根據(jù)直接測量的溫度一時間曲線繪制的。首先在圖4-6a上給出合金的液相線和固相線溫度，把二直線與溫度一時間相交的各點分別標(biāo)注在圖4-6b的(x/R,t)坐標(biāo)系上，再將各點連接起來，即得凝固動態(tài)曲線?？v坐標(biāo)x是鑄件表面向中心方向的距離，R是鑄件壁厚之半或圓柱體和球體的半徑。由于凝固是從鑄件壁兩側(cè)同時向中心進(jìn)行，所以當(dāng)x/R=1時

13、表示已凝固至鑄件中心。圖4-6c為根據(jù)凝固動態(tài)曲線繪制的自測溫度開始后2分20秒的凝固狀況。根據(jù)凝固動態(tài)曲線可以獲得任一時刻的凝固狀態(tài)。(作用)19金屬凝固區(qū)域及結(jié)構(gòu)特點對金屬凝固方式及鑄件質(zhì)量的影響？鑄件在凝固過程中，除純金屬和共晶成分合金外，斷面上一般都存在三個區(qū)域，即固相區(qū)，凝固區(qū)和液相區(qū)。鑄件的質(zhì)量與凝固區(qū)域有密切的關(guān)系。其中凝固區(qū)域由傾出邊界和補(bǔ)縮邊界又分割成三個區(qū)域。I區(qū)（從液相邊界到傾出邊界）。這個區(qū)的特征為固相處于懸浮狀態(tài)而未連成一片，液相可以自由移動，用傾出法做試驗時，固體能夠隨液態(tài)金屬一起被傾出。II區(qū)（從傾出邊界到補(bǔ)縮邊界），這個區(qū)的特征為固相已經(jīng)連成骨架，但液相還能在固

14、相骨架間自由移動，這時某一部位的體積收縮能夠得到其它部位液體的補(bǔ)充，而不至于產(chǎn)生縮孔或縮松。11區(qū)（從補(bǔ)縮邊界到固相邊界）這個區(qū)的特征為固相不但連成骨架而且已經(jīng)充分長大，存在于固相間隙中的少量液體被分割成一個個互不溝通的小“溶池”。這時液體再發(fā)生凝固收縮，不能得到其它液體的補(bǔ)縮。根據(jù)以上的分析可以看出，對鑄坯質(zhì)量影響最大的是II區(qū)的寬度?？梢酝茢嗄虆^(qū)域越寬，則II區(qū)的寬度也就越寬。20鑄型和涂料的導(dǎo)熱系數(shù)對鑄件凝固方式的影響？（要補(bǔ)充的=9廠）一般將金屬的凝固方式分為三種類型；逐層凝固方式，體積凝固方式或稱糊狀凝固方式和中間凝固方式。凝固方式取決與凝固區(qū)域的寬度，而凝固區(qū)域的寬度取決于合金的

15、結(jié)晶溫度范圍和冷卻強(qiáng)度。21金屬凝固典型的宏觀組織及形成條件？（問一下文字的=（丿廠）鄒叢逼履受溫度梯度和結(jié)晶速度的影響22等軸晶組織細(xì)化的理論和措施？通過強(qiáng)化非均質(zhì)生核和促進(jìn)晶粒游離以抑制凝固過程中柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展，就能獲得等軸晶組織。非均質(zhì)晶核數(shù)量越多，晶粒的游離作用越強(qiáng)，熔體內(nèi)部越有利于游離晶的殘存，則形成的晶粒就越細(xì)。獲得細(xì)等軸晶的主要措施如圖5-3所示。圖7.80G/N和對固瘩體晶悴生長形態(tài)的影響低溫澆汪茯穆細(xì)等軸品llJil-rL施物理場細(xì)品耘泮澆注反W物I】核心帕擺成分屯伏變質(zhì)處理強(qiáng)成井過冷兒素35-3獲得細(xì)等軸品的主爰掛誕1、利用金屬流對型壁的沖刷2、用電磁攪拌使金屬液體旋

16、轉(zhuǎn)3、孕育處理與變質(zhì)處理a）外加晶核b）加入生核劑c）采用成分過冷元素23單向凝固技術(shù)及其特點？單向凝固的目的是為了使鑄件或鑄錠獲得按一定方向生長的柱狀晶或單晶組織。要得到單向凝固組織需要滿足以下條件：首先，要在開始凝固的部位形成穩(wěn)定的凝固殼。凝固殼的形成阻止了該部位的型壁晶粒游離，并為柱狀晶提供了生長基礎(chǔ)。該條件可通過各種激冷措施達(dá)到。其次，要確保凝固殼中的晶粒按既定方向通過擇優(yōu)生長而發(fā)展成平行排列的柱狀晶組織。同時，為使柱狀晶縱向生長不受限制，并且在其組織中不夾雜有異向晶粒，固-液界面前方不應(yīng)存在生核和晶粒游離現(xiàn)象。這個條件可通過下述措施來滿足：1、嚴(yán)格的單向散熱。要使凝固系統(tǒng)始終處于柱狀

17、晶生長方向的正溫度梯度作用下，并且要絕對阻止側(cè)向散熱以避免界面前方型壁及其附近的生核和長大。2、要有足夠大的G/R,以使成分過冷限制在允許的范圍以內(nèi)。同時要減少熔體的非均質(zhì)生核能力，這樣就能避免界面前方的生核現(xiàn)象。提高熔體的純凈度，減少因氧化和吸氧而形成的雜質(zhì)污染，對已有的有效襯底則通過高溫加熱或加入其它元素來改變其組成和結(jié)構(gòu)等方法均有助于減少熔體的非均質(zhì)生核能力。3、要避免液態(tài)金屬的對流、攪拌和振動，從而阻止界面前方的晶粒游離。對晶粒密度大于液態(tài)金屬的合金，避免自然對流的最好方法就是自下而上地進(jìn)行單向結(jié)晶。當(dāng)然也可以通過安置固定磁場的方法阻止其單向結(jié)晶過程中的對流。24.單晶獲得的條件和方法？獲得單晶的條件1、在金屬熔體中只