《金属凝固理论重点总结》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属凝固理论重点总结（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、金属凝固理论复习资料一、名词解释1. 能量起伏：金属晶体结构中每个原子的振动能量不是均等的，一些原子的能量超过原子的平均能量，有些原子的能量则远小于平均能量，这种能量的不均匀性称为“能量起伏”2. 结构起伏：液态金属中的原子集团处于瞬息万变的状态，时而长大时而变小，时而产生时而消失，此起彼落，犹如在不停顿地游动。这种结构的瞬息变化称为结构起伏。3. 浓度起伏：不同原子间结合力存在差别，在金属液原子团簇之间存在着成分差异。这种成分的不均匀性称为浓度起伏。4. 熔化潜热:将金属加热到至熔点时，金属体积突然膨胀，等于固态金属从热力学温度零度加热到熔点的总膨胀量，金属的其他性质如电阻，粘性等发生突变，
2、吸收的热能。5. 充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰的铸件的能力。6. 成分过冷：由溶质再分配导致的界面前方熔体成分及其凝固温度发生变化而引起的过冷。7. 热过冷：仅由熔体实际温度分布所决定的过冷状态称为热过冷8. 宏观偏析：又称长程偏析或区域偏析，指较大范围内的化学成分不均匀现象，表现为铸件各部位之间化学成分的差异。9. 微观偏析：微观偏析是指微小范围（约一个晶粒范围）内的化学成分不均匀现象，按位置不同可分为晶内偏析（枝晶偏析）和晶界偏析。10.微观偏析（1）晶内偏析：在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于有一定结晶温度范围 、能够形成固溶体的合金中。（2）晶界偏析：
3、溶质元素和非金属夹杂物富集与晶界，使晶界和晶内的化学成分出现差异。它会降低合金的塑性和高温性能，又会增加热裂倾向。11.宏观偏析：（1）正常偏析：当合金溶质分配系数 k1时相反。正常偏析存在使铸件的性能不均匀，在随后的加工中难以消除。（2）逆偏析：即 k0,即GLGs时结晶才能进行，所以说Gv就构成了相变的驱动力，Gv=L(1-T/To)=LT/To,Gv的大小决定于T，L与To均为定值，因此液态金属结晶的驱动力是由过冷度提供的。19 如何认识“外生生长”与“内生生长”？由前者向后者转变的前提是什么？仅仅由成分过冷因素决定吗？外生生长：晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式，称为“外生
4、生长”。平面生长，胞状生长河柱状树枝晶生长都属于外生生长。内生生长：等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为内生生长。如果成分过冷在远离界面处大于异质形核所需过冷度，就会在内部熔体中产生新的晶核，造成内生生长，使得自由树枝晶在固液界面前方的熔体中出现。外生生长向内生生长的转变的前提是：成分过冷区的进一步加大。决定因素：外生生长向内生生长的转变是由成分过冷的大小和外来质点非均质生核的能力这两个因素所决定的。大的成分过冷和强生核能力的外来质点都有利于内生生长并促进内部等轴晶的形成。20 试分析能量起伏和浓度起伏在在生核中的作用。答：生核时必须有一定大小的晶胚，这需能量起伏，使原子集团达到一定大小才能
5、成核。而浓度起伏对二相以上液态金属成核很重要，一定的浓度起伏才可能瞬时达到某一相的要求。21. 均质生核机制必须具备以下条件：1) 过冷液体中存在相起伏，以提供固相晶核的晶胚。2) 生核导致体积自由能降低，界面自由能提高。为此，晶胚需要体积达到一定尺寸才能稳定存在。3) 过冷液体中存在能量起伏和温度起伏，以提供临界生核功。4) 为维持生核功，需要一定的过冷度。22、试述均质生核与非均质生核的区别及联系？答：均质生核：在没有任何外界面的均匀熔体中的生核过程，均质生核在熔体各处几率相同，晶核的全部固液界面皆由生核过程所提供，因此热力学能障较大，所需驱动力较大，理想液态金属的生核过程就是均质生核；非
6、均质生核：在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型壁界面提供的衬底进行生核的过程，非均质生核优先发生在外来外界面处，因此热力学能障较小，所需要驱动力较小，实际液态金属的生核过程一般都是非均质生核。23 试述均质形核与非均质形核有何联系与区别。非均质形核时，对形核剂有什么要求？一、1)均质形核：依靠液态金属内部自身的结构自发的形核。2)非均质形核：依靠外来夹杂或型壁所提供的异质界面进行形核过程。二、 相等TLGrCV0*2非均但 34均 fr34非 4cos323f非均质生核所需体积小，即相起伏时的原子数少。三、 203*16TLGC均 fG*均非 两种均需能量起伏克服生核功，但非均质生核能需较小。非均
7、匀形核理论可知，一种好的形核剂首先应能保证结晶相在衬底物质上形成尽可能小的润湿角 ；其次形核剂还应在液态金属中尽可能保持稳定；并且具有最大的表面积和最佳的表面特性 (如表面粗糙或有凹坑等)。24 试述均质生核与非均质生核之间的区别与联系，并分别从临界晶核曲率半径、生核功两个方面阐述外来衬底的湿润能力对临界生核过冷度的影响。要满足纯金属非均质生核的热力学要求，液态金属必须具备哪两个基本条件？答：（1） 相等TLGrCV0*2非均但 34均 fr34非 4cos323f非均质生核所需体积小，即相起伏时的原子数少。（2） 203*16TLGC均 fG*均非 两种均需能量起伏克服生核功，但非均质生核能
8、需较小。（3）右图看出 *非TVf非即：对 ： 与 的影响.*r*非（4）生核功：fTLGC203*16非T*能 量 起 伏非f（5）纯金属非均质生核的热力学条件：VLCGr2*非 fLC203*16非液态金属需具备条件（1）液态金属需过冷 (2)衬底存在。25.生核剂：一种好的生核剂首先应能保证结晶相在衬底物质上形成尽可能小的润湿角 ，其次生核剂还应该在液态金属中尽可能地保持稳定，并且具有最大的表面积和最佳的表面特性。26、常用生核剂有哪些种类，其作用条件和机理如何？常用生核剂有以下几类：1、直接作为外加晶核的生核剂。2、通过与液态金属中的某元素形成较高熔点的稳定化合物。3、通过在液相中造成
9、很大的微区富集而造成结晶相通过非均质形核而提前弥散析出的生核剂。4、通过在液相中造成很大的微区富集而造成结晶相通过非均质形核而提前弥散析出的生核剂。含强成份过冷的生核剂 作用条件和机理： 1 类：这种生核剂通常是与欲细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属、非金属碎粒，他们与欲细化相间具有较小的界面能，润湿角小，直接作为衬底促进自发形核。2 类：生核剂中的元素能与液态金属中的某元素形成较高熔点的稳定化合物，这些化合物与欲细化相间界面共格关系和较小的界面能，而促进非均质形核。3 类: 如分类时所述。4 类：强成分过冷生核剂通过增加生核率和晶粒数量，降低生长速度而使组织细化。27液态金属生核率
10、曲线特点是什么？在实际的非均质生核过程中这个特点又有何变化?答：实际非均质生核率受衬底面积大小的影响，当衬底面积全部充满后，生核率曲线中断，即不再有非均质生核。相变、生核、成长中的热力学及动力学：（1）相变：热力学条件： T ，可以提供相变驱动力 V G 。动力学条件：克服热力学能障和动力学能障。（2）生核：克服能障：热力学（界面自由能）、动力学 A G （作用小，对生核率影响小）（3）生长：热力学能障： G ( A )KTi V F ln 取决于 F A （处于过冷状态，且相变驱动力克服此能障）动力学能障： GA28、晶粒游离：晶粒游离方式决定了铸件结晶中等轴晶“晶核”的来源。铸件结晶过程中
11、几种形式的晶粒游离：1)游离晶直接来自过冷熔体中的非均质生核。2)由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离。3)液面晶粒沉积所引起的晶粒游离。除了非均质生核过程以外，各种形式的晶粒游离也是形成表面细晶粒区的“晶核”来源。29、液态金属流动对铸件结晶中晶粒游离过程的作用主要是怎样通过影响其传热和传质过程而实现的？游离境直接来自过冷熔体内的非均质生核由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离液面晶粒沉积所引起的晶粒游离（1）传热方面：液态金属的流动加速其过热热量的散失，使全部液态金属在浇注后的瞬间（小于 30s）从浇注温度下降到凝固温度（2）传质方面：液态金属的流动导致游离晶粒的漂移和堆
12、积，并使各种游离晶粒现象得以不断进行。同时改变界面前沿的溶质分布状态，加速流体宏观成分的均匀化30.凝固方式及其影响因素一般将金属的凝固方式分为三种类型：逐层凝固方式、体积凝固方式（或称糊状凝固方式）和中间凝固方式。在凝固过程中铸件断面上的凝固区域宽度为零，固体和液体由一条界线（凝固前沿）清楚地分开。随着温度的下降，固体层不断加厚，逐步达到铸件中心。这种情况为逐层凝固方式。铸件凝固的某一段时间内，其凝固区域几乎贯穿整个铸件断面时，则在凝固区域里既有已结晶的晶体，也有未凝固的液体，这种情况为体积凝固方式或称糊状凝固方式。铸件断面上的凝固区域宽度介于前两者之间时，称中间凝固方式。凝固方式取决与凝固
13、区域的宽度，而凝固区域的宽度取决于合金的结晶温度范围和冷却强度（温度梯度）。结晶温度范围越宽，温度梯度越小，越倾向于体积凝固方式。31. 金属凝固方式与铸件质量的关系逐层方式凝固，凝固前沿直接与液态金属接触。当液态凝固成为固体而发生体积收缩时，可以不断地得到液体的补充，所以产生分散性缩松的倾向性很小，而是在铸件最后凝固的部位留下集中缩孔。由于集中缩孔容易消除，一般认为这类合金的补缩性良好。在板状或棒状铸件会出现中心线缩孔。这类铸件在凝固过程中，当收缩受阻而产生晶间裂纹时，也容易得到金属液的填充，使裂纹愈合。体积凝固方式：凝固区域宽，容易发展成为树枝晶发达的粗大等轴枝晶组织。当粗大的等轴枝晶相互
14、连接以后(固相约为 70)，将使凝固的液态金属分割为一个个互不沟通的溶池，最后在铸件中形成分散性的缩孔，即缩松。对于这类铸件采用普通冒口消除其缩松是很难的，而往往需要采取其它辅助措施，以增加铸件的致密性。由于粗大的等轴晶比较早的连成骨架，在铸件中产生热裂的倾向性很大。这是因为，等轴晶越粗大，高温强度就越低；此外当晶间出现裂纹时，也得不到液态金属的充填使之愈合。如果这类合金在充填过程中发生凝固时，其充型性能也很差。32、试述金属凝固方式，影响因素及其对铸件质量的影响。答：金属凝固方式分为三种：当 时，凝固趋向于逐层凝固，当 时，凝固1t趋向于体积凝固，二者之间，趋向于中间凝固。 为结晶温度间隔，
15、 为结晶开始温度t与铸件表面温度差。影响因素：结晶温度范围越小，温度梯度越大，凝固区域越窄，越趋向与逐层凝固。反之，结晶温度范围越大，温度梯度越小，凝固区域越宽，越趋向与体积凝固。对铸件质量的影响：（1）逐层凝固具有良好的充填和补缩条件，产生分散性缩孔的倾向性很小，而是在最后凝固部位形成集中缩孔。如果合理设置冒口，可使缩孔移入冒口，而且在凝固过程中收缩产生的晶间裂纹容易得到金属液补充，使裂纹愈合，故热裂倾向小。（2）体积凝固方式，补缩条件差，形成分散性缩孔，等轴晶粗大，热裂倾向大。 （3）中间凝固方式的补缩特性，热裂倾向，充型性能均介于前两者之间。33、铸件凝固过程的应力有哪些？按产生的原因可以分为：热应力、相变应力、机械阻碍应力。34、凝固区间结构特征区（从液相边界到倾出边界） 。这个区的特征为固相处于悬浮状态而未连成一片，液相可以自由移动，用倾出法做试验时，固体能够随液态金属一起被倾出。区（从倾出边界到补缩边界） ，这个区的特征为固相已经连成骨架，但液相还能在固相骨架间自由移动，这时某一部位的体积收缩能够得到其它部位液体的补充，而不至于产生缩孔或缩松。区（从补缩边界到固相边界）这个区的特征为固相不但连成骨架而且已经充分长大，存在于固相间隙中的少量液体被分割成一个个互不沟通的小“溶池”。这时液体再发生凝固收缩，不能得到其它液体的补缩。根据以上的分析可以看出，对铸坯质量
