金屬學(xué)與熱處理第二章

1、復(fù)習(xí)重點(diǎn)：名詞、簡(jiǎn)答、各章課堂強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)及書(shū)后作業(yè)第二章純金屬的結(jié)晶一、名詞：結(jié)晶：金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的轉(zhuǎn)變過(guò)程.結(jié)晶潛熱：金屬結(jié)晶時(shí)從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔喾懦龅臒崃?。孕育期：?dāng)液態(tài)金屬過(guò)冷全理論結(jié)晶溫度以下的實(shí)際結(jié)晶溫度 時(shí)，晶核并末立即出生，而是經(jīng)過(guò)了一定時(shí)間后才開(kāi)始出現(xiàn)第一批晶核。結(jié)晶開(kāi)始前的這段停留時(shí)間稱(chēng)為孕育期。近程有序：液態(tài)金屬中微小范圍內(nèi)存在的緊密接觸規(guī)則排列的原子集團(tuán)。遠(yuǎn)程有序：固態(tài)晶體中存在的大范圍內(nèi)的原子有序排列集團(tuán)。結(jié)構(gòu)起伏（相起伏）：液態(tài)金屬中不斷變化著的近程有序原子集團(tuán)。晶胚：過(guò)冷液體中存在的有可能在結(jié)晶時(shí)轉(zhuǎn)變 為晶核的尺寸較大的相起伏。形核率：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積液體中

2、形成的晶核數(shù)目。過(guò)冷度：金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度之差。均勻形核：液相中各個(gè)區(qū)域出現(xiàn)新相晶核的幾率都相同的形核方 式。非均勻形核：新相優(yōu)先出現(xiàn)于液相中的某些區(qū)域的形核方式。變質(zhì)處理：在澆注前向液態(tài)金屬中加入形核劑以促進(jìn)形成大量的非均勻晶核來(lái)細(xì)化晶粒的液態(tài)金屬處理方法。能量起伏：液態(tài)金屬中各微觀(guān)區(qū)的能量此起彼伏、變化不定偏離平衡能量的現(xiàn)象。正溫度梯度：液相中的溫度隨全界 面距離的增加而提高的溫度分布狀況。負(fù)溫度梯度：液相中的溫度隨全界面距離的增加而降低的溫度分布狀況細(xì)晶強(qiáng)化：用細(xì)化晶粒來(lái)提高材料強(qiáng)度的方法。晶粒度：晶粒的大小?？s孔：液態(tài)金屬凝固，體積收縮，不再能填滿(mǎn)原來(lái)鑄型，如沒(méi)有液態(tài)金屬

3、繼續(xù)補(bǔ)充而出現(xiàn)的收縮孔洞。二、簡(jiǎn)答：熱分析曲線(xiàn)表征了結(jié)晶過(guò)程的哪兩個(gè)重要宏觀(guān)特征？答：過(guò)冷現(xiàn)象、結(jié)晶潛熱釋放現(xiàn)象影響過(guò)冷度的因素有那些？如何影響的？答：金屬的本性、純度和冷卻速度。金屬不同，過(guò)冷度的大小也不同；金屬的純度越高，則過(guò)冷度越大；冷卻速度越大，則過(guò)冷度越大。決定晶體長(zhǎng)大方式和長(zhǎng)大速度的主要因素？1）界面結(jié)構(gòu)；2）界面附近的溫度分布；3）潛熱的釋放與逸散晶體長(zhǎng)大機(jī)制有哪幾種？1）二維晶核長(zhǎng)大機(jī)制；2）螺型位錯(cuò)長(zhǎng)大機(jī)制；3）垂直長(zhǎng)大機(jī)制結(jié)晶過(guò)程的普遍規(guī)律是什么？答：結(jié)晶是形核和晶核長(zhǎng)大的過(guò)程均勻形核的條件是什么？答：要有結(jié)構(gòu)起伏與能量起伏；液態(tài)金屬要過(guò)冷，且過(guò)冷度必須大于臨界過(guò)冷度；結(jié)晶

4、必須在一定溫度下進(jìn)行。過(guò)冷度對(duì)形核率N有何影響？答：開(kāi)始時(shí)，形核率隨過(guò)冷度的增加而增大，當(dāng)超過(guò)極大值之后，形核率又隨過(guò)冷 度的增加而減小，當(dāng)過(guò)冷度非常大時(shí)，形核率接近于零。8何謂非均勻形核？答：非均勻形核：新相優(yōu)先出現(xiàn)于液相中的某些區(qū)域的形核方式。必要條件：9、影響接觸角曲勺因素？選擇什么樣的異相質(zhì)點(diǎn)可以促進(jìn)非均勻形核？答：晶體與固態(tài)雜質(zhì)的結(jié)構(gòu)（原子排列的幾 何狀態(tài)、原子大小、原子間距等）上的相似程度。選擇晶體結(jié)構(gòu)與金屬晶核晶體結(jié)構(gòu)相近的表面曲率大的異相質(zhì)點(diǎn)。三、綜合應(yīng)用題1何謂結(jié)構(gòu)起伏？它與過(guò)冷度有何關(guān)系？臨界晶核半徑與過(guò)冷度有何關(guān)系？答：結(jié)構(gòu)起伏：液態(tài)金屬中不斷變化著的近程有序原子集團(tuán)。結(jié)

5、構(gòu)起伏與過(guò)冷度沒(méi)有關(guān)系。臨界晶核半徑與過(guò)冷度的關(guān)系：過(guò)冷度增大，臨界晶核半徑減小。2、晶核長(zhǎng)大的條件是什么？過(guò)冷度對(duì)長(zhǎng)大方式和長(zhǎng)大速度有什么影響？答：晶核長(zhǎng)大的條件：1）溫度，要有足夠高的溫度，保證原子具有足夠的擴(kuò)散能力；2）晶核表面結(jié)構(gòu)要能夠接納原子。過(guò)冷度對(duì)長(zhǎng)大方式的影響：粗糙界面在較小的過(guò)冷度下即可垂直長(zhǎng)大，且長(zhǎng)大速度大。在很大 的過(guò)冷度下，光滑界面才能以二維晶核與螺型位錯(cuò)方式長(zhǎng)大，且長(zhǎng)大速度很慢。過(guò)冷度對(duì)長(zhǎng)大速度的影響： 隨著過(guò)冷度的增大，長(zhǎng)大速度先是增大，達(dá)到極大值后，又減小。3、常溫下晶粒大小對(duì)金屬性能有何影響？根據(jù)凝固理論，試述細(xì)化晶粒的方法有哪些？答：金屬的晶粒越細(xì)小，強(qiáng) 度和

6、硬度則越高，同時(shí)塑性韌性也越好。細(xì)化晶粒的方法：1）控制過(guò)冷度，在一般金屬結(jié)晶時(shí)的過(guò)冷度范圍內(nèi)，過(guò)冷度越大，晶粒越細(xì)??；2）變質(zhì)處理，在澆注前往液態(tài)金屬中加入形核劑，促進(jìn)形成大量的非均勻晶核來(lái)細(xì)化晶粒；3）振動(dòng)、攪動(dòng)，對(duì)即將凝固的金屬進(jìn)行振動(dòng)或攪動(dòng)，一方面是依靠從外面輸入能量促使晶核提前形成，另一方面是使成長(zhǎng)中的枝晶破碎， 使晶核數(shù)目增加。四、書(shū)后習(xí)題P59V2-1 a）證明均勻形核時(shí)，形成臨界晶粒的Gk與其體積V之間的關(guān)系為，Gk = AGv。本題可了解掌握證明：由均勻形核體系自由能的變化. : G= -V GS（1）可知，形成半徑為rk的球狀臨界晶粒，自由度變化為Gk 二-4 二 rG 4

7、 飛 2 二(2)對(duì)（2）進(jìn)行微分處理，有-4 d( dyiG)3Ad(4 二 R Gd kd kdG043rk弋 3 4 飛二 2，即-.、:Gv2(3)將（3）代入（1），有 Mk二=-V-Gv h GS(4)因V=4=土 S，即 3V= r kS(5)33將（5）代入（4），有AGk=3的302 2也Gk比球形晶2-2如果臨界晶核是邊長(zhǎng)為a的正方形，試求其只有當(dāng)溫度低于理論結(jié)晶溫度Tm時(shí)，固態(tài)金屬的自由能才低于液態(tài)金屬的自由能，液態(tài)金屬才能自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬，因此金屬結(jié)晶時(shí)一定要有過(guò)冷度。影響過(guò)冷度的因素：1）金屬的本性，金屬不同，過(guò)冷度大小不同；2）金屬的純度，金屬的純度越高，過(guò)冷度

8、越大；3 ）冷卻速度，冷卻速度越大，過(guò)冷度越大。固態(tài)金屬熔化時(shí)會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱度。原因：由熱力學(xué)可知，在某種條件下，熔化能否發(fā)生，取決于液相自由度是否低于固相的自由度，即 -：G = Gl-Gs： O；只有當(dāng)溫度高于理論結(jié)晶溫度Tm時(shí)，液態(tài)金屬的自 由能才低于固態(tài)金屬的自由能，固態(tài)金屬才能自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)金屬，因此金屬熔化時(shí)一定要有過(guò)熱度。2-4試比較均勻形核與非均勻形核的異同點(diǎn)。答：相同點(diǎn)：均勻形核與非均勻形核具有相同的臨界晶核半徑，非均勻形核的臨界形核功也等于三分之一表面能。不 同點(diǎn)：非均勻形核的臨界形核功小于等于均勻形核的臨界形核功，即非均勻形核的過(guò)冷度小于等于均勻形核的過(guò) 冷度。2-5說(shuō)明晶體

9、生長(zhǎng)形狀與溫度的關(guān)系？ P52答：在正溫度梯度下長(zhǎng)大，光滑界面呈鋸齒狀；粗糙界面呈平面；在負(fù)溫 度梯度下長(zhǎng)大，一般金屬和半金屬的界面都呈樹(shù)枝狀，非金屬界面呈光滑界面。2-6簡(jiǎn)述鑄錠三晶區(qū)形成的原因及每個(gè)晶區(qū)的性能特點(diǎn)？掌握答：形成原因：1）表層細(xì)晶區(qū)：低溫模壁強(qiáng)烈地吸熱和散熱，使靠近模壁的一薄層液體產(chǎn)生極大地過(guò)冷，模壁又 可作為非均勻形核的基底，在此一薄層液體中立即產(chǎn)生大量的晶核，并同時(shí)向各個(gè)方向生長(zhǎng)。2)晶核數(shù)目多，晶核很快彼此相遇，不能繼續(xù)生長(zhǎng)，在靠近模壁處形成一薄層很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。柱狀晶區(qū)：模壁溫度升高導(dǎo)致溫度梯度變得平緩；過(guò)冷度小，不能生成新晶核，但利于細(xì)晶區(qū)靠近液相的某些小 晶粒長(zhǎng)

10、大；遠(yuǎn)離界面的液態(tài)金屬過(guò)熱，不能形核；垂直于模壁方向散熱最快，晶體擇優(yōu)生長(zhǎng)。3）中心等軸晶 區(qū)：柱狀晶長(zhǎng)到一定程度后，鑄錠中部開(kāi)始形核長(zhǎng)大-中部液體溫度大致是均勻的，每個(gè)晶粒的成長(zhǎng)在各方向上接近一致，形成等軸晶。性能特點(diǎn)：1）表層細(xì)晶區(qū)：組織致密，力學(xué)性能好；2）柱狀晶區(qū)：組織較致密，存在弱面，力學(xué)性 能有方向 性；3）中心等軸晶區(qū)：各晶粒枝杈搭接牢固，無(wú)弱面，力學(xué)性能無(wú)方向性。2-7為了得到發(fā)達(dá)的柱狀晶區(qū)應(yīng)該采取什么措施？為了得到發(fā)達(dá)的等軸晶區(qū)應(yīng)該采取什么措施？其基本原理如何？P57掌握答：為了得到發(fā)達(dá)的柱狀晶區(qū)應(yīng)采取的措施：1）控制鑄型的冷卻能力，采用導(dǎo)熱性好與熱容量大的鑄型材料，增大鑄型

11、的厚度，降低鑄型的溫度。2）提高澆注溫度或澆注速度。3）提高熔化溫度?；驹恚?）鑄型冷卻能力越大，越有利于柱狀晶的生長(zhǎng)。2）提高澆注溫度或澆注速度，使溫度梯度增大，有利于柱狀晶的生長(zhǎng)。3）熔化溫度越高，液態(tài)金屬的過(guò)熱度越大，非金屬夾雜物溶解得越多，非 均勻形核數(shù)目越少，減少了柱狀晶前沿液體中的形核的可能，有利于柱狀晶的生長(zhǎng)。為了得到發(fā)達(dá)的等軸晶區(qū)應(yīng)采取的措施：1）控制鑄型的冷卻能力，采用導(dǎo)熱性差與熱容量小的鑄型材料，增大鑄型的厚度，提高鑄型的溫度。2）降低澆注溫度或澆注速度。3）降低熔化溫度?；驹恚?）鑄型冷卻能力越小，越有利于中心等軸晶的生長(zhǎng)。2）降低澆注溫度或澆注速度，使溫度梯度減

12、小，有利于等軸晶的生長(zhǎng)。3）熔化溫度越低，液態(tài)金屬的過(guò)熱度越小，非金屬夾雜物溶解得越少，非 均勻形核數(shù)目越多，增加了柱狀晶前沿液體中的形核的可能，有利于等軸晶的生長(zhǎng)。第三章1、2節(jié)合金相部分一、解答1、根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以將相分為哪兩大類(lèi)？答：固溶體、金屬化合物2、固溶體的分類(lèi)1）按溶質(zhì)原子在晶格中所占位置分類(lèi)置換固溶體，間隙固溶體2）按固溶度分類(lèi)有限固溶體，無(wú)限固溶體3）按溶質(zhì)原子與溶劑原子的相對(duì)分布分類(lèi)無(wú)序固溶體，有序固溶體3、金屬化合物的特點(diǎn)？金屬化合物主要有哪三種類(lèi)型？答：具有較高的熔點(diǎn)和硬度，使合金的強(qiáng)度、硬度、耐磨性及耐熱性提高，但塑性韌性有所降低。金屬化合物主要有 三種類(lèi)型：正常

13、價(jià)化合物，電子化合物，間隙相和間隙化合物二、綜合應(yīng)用題1、何謂合金？何謂組元？何謂相？何謂固溶體？固溶體的晶體結(jié)構(gòu)有何特點(diǎn)？何謂置換固溶體？影響其 固溶度的因素有哪些？掌握答：合金：由兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其它方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)。組元：組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)。相：合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一并以界面相互分開(kāi)的組成部分。固溶體：合金組元之間以不同的比例相互混合形成的晶體結(jié)構(gòu)與某一組元相同的固相。固溶體的晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn): 固溶體仍保持著溶劑的晶格類(lèi)型，但結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，主要包括以下幾個(gè)方面：1）有晶格畸變，2）有偏聚與 有序，3）當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟葧r(shí)，可使具有短程有序的固溶體的溶質(zhì)和溶劑原子在整個(gè)晶體中都按一定的順序排 列起來(lái)，轉(zhuǎn)變