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1、第二章 3 凝固速度对铸件凝固组织、性能与凝固缺陷的产生有重要影响。试分析可以通过哪些工艺措施来改变或控制凝固速度？解： 改变铸件的浇注温度、浇铸方式与浇铸速度； 选用适当的铸型材料和起始（预热）温度； 在铸型中适当布置冷铁、冒口与浇口； 在铸型型腔内表面涂敷适当厚度与性能的涂料。7. 对于低碳钢薄板，采用钨极氩弧焊较容易实现单面焊双面成形（背面均匀焊透）。采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板或铝板会出现什么后果？为什么？解：采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板可能会出现烧穿，这是因为不锈钢材料的导热性能比低碳钢差，电弧热无法及时散开的缘故；相反，采用同样焊接规范去焊同样厚度的铝板可能会出
2、现焊不透，这是因为铝材的导热能力优于低碳钢的缘故。8. 对于板状对接单面焊焊缝，当焊接规范一定时，经常在起弧部位附近存在一定长度的未焊透，分析其产生原因并提出相应工艺解决方案。解：（1）产生原因：在焊接起始端，准稳态的温度场尚未形成，周围焊件的温度较低，电弧热不足以将焊件熔透，因此会出现一定长度的未焊透。（2）解决办法：焊接起始段时焊接速度慢一些，对焊件进行充分预热，或焊接电流加大一些，待焊件熔透后再恢复到正常焊接规范。生产中还常在焊件起始端固定一个引弧板，在引弧板上引燃电弧并进行过渡段焊接，之后再转移到焊件上正常焊接。 基本定义基本定义 热传递的基本方式热传递的基本方式有：热传导，热对流，热
3、辐射三种。 热传导 热量传递的方向延等温面或等温线的法线方向，温度梯度是热量传递自发过程的动力。 热流热流密度密度 q 单位时间通过单位面积的热量。 铸造过程中液态金属在充型时与与铸型之间的热量交换以对流为主以对流为主，铸件在铸型中的凝固，冷却过程以热传导为主。 凝固温度凝固温度场的求解方法场的求解方法 解析法, 数值法(差分法，有限元法） 导热类型导热类型 点（线，面）热源三（二，一）维传热。 影响温度场的因素影响温度场的因素 热源的种类与焊接规范，焊件的形态与热物理性能的影响。 在两个方向上的尺寸为足够大的平板铸件在同样足够大的铸型中凝固时，热量从铸件经与铸型的接触界面向铸型中传导，可近似
4、的认为是沿着界面的法线方向一维热传导，并且温度与热流分布关于铸件的中层面对称。 第三章 四四 可可用用J Ja ac ck ks so on n因因子子作作为为两类固两类固-液界面结构的判据液界面结构的判据：2 时，晶体表面有一半空缺位置时自由能最低，此时的固-液界面（晶体表面）为粗糙界面 ; 5 时，此时的固 -液界面（晶体表面）为光滑界面 ; =25 时，此时的固-液界面（晶体表面） 常为多种方式的混合，Bi、Si、Sb 等属于此类。 基本定义基本定义 相变相变是系统自由能由高向低变化的过程，新相与母相的体积自由能之差 Gv 即为相变驱动力。 由于熵恒为正值，故物质自由能 G 随温度上升而
5、下降。 凝固理论将形核分为形核分为 均质形核和非均质形核（非自发形核） 。一般来说，凝固是从非均质形核开始的，即依靠外来质点或型壁界面提供的衬托进行生核过错。 形核率是单位体积中，单位时间内形成的晶核数目。温度越低，过冷度 T 越大，形核率 I 越高。 非均质形核是相对于均质形核而言的。所谓均质形核所谓均质形核，是指晶核在一个体系内均匀的分布，故也称均匀生核。 合金液体中存在的大量高熔点微小杂志可作为非均质形核的基底，晶核依附于夹杂物的界面上形成。 晶体生长方式晶体生长方式 连续生长方式， 台阶方式生长（侧面生长） 第五章 1.1.铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的，它们的形成机理如何铸件
6、典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的，它们的形成机理如何? ?答答：铸铸件件的的宏宏观观组组织织 由激冷晶区、柱状晶区和内部等轴晶区所组成. 表面激冷区表面激冷区：当液态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用，产生很大的过冷度而大量非均质生核。这些晶核在过冷熔体中也以枝晶方式生长，其结晶潜热可型壁导出，也可向过冷熔体中散失，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。柱状晶区柱状晶区：在结晶过程中由于模壁温度的升高，在结晶前沿形成适当的过冷度，使表面细晶粒区继续长大，又由于固-液界面处单向的散热条件，处在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下，以表面细等轴晶凝固层某些
7、晶粒为基底，呈枝晶状单向延伸生长，那些主干取向与热流方向相平行的枝晶优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长，在淘汰取向不利的晶体过程中，发展成柱状晶组织。内部等轴晶内部等轴晶：内部等轴晶区是由于熔体内部晶核自由生长的结果。随着柱状晶的发展，熔体温度降到足够低，加之金属中杂质等因素的作用，满足了形核时的过冷度要求，于是在整个液体中开始形核。同时由于散热失去了方向性，晶体在各个方向上的长大速度是相等。2.2.试分析溶质再分配对游离晶粒的形成及晶粒细化的影响试分析溶质再分配对游离晶粒的形成及晶粒细化的影响 。答答：对于纯金属在冷却结晶时候没有溶质再分配，所以在其沿型壁方向晶体迅速长大，晶体与晶体之间很快能
8、够连接起来形成凝固壳。当形成一个整体的凝固壳时，结晶体再从型壁处游离出来就很困难了。但是如果向金属中添加溶质，则在晶体与型壁的交汇处将会形成溶质偏析，溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处产生“脖颈” ，具有“脖颈”的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成凝固壳, 另一方面，在浇注过程和凝固初期存在的对流容易冲断“脖颈” ，使晶体脱落并游离出去，形成游离晶。一些游离晶被保留下来并发生晶体增殖，成为等轴晶的核心，形成等轴晶，从而起到细化晶粒的作用。3.3.液态金属中的流动是如何产生的，流动对内部等轴晶的形成及细化有何影响液态金属中的流动是如何产生的，流动对内部等轴晶的形成及细化有何影响? ?答答
9、：浇注完毕后，凝固开始阶段，在型壁处形成的晶体，由于其密度或大于母液或小于母液会产生对流，此外型壁处和铸件心部的熔体温度差也可造成对流，从而使熔体流动。依靠熔体的流动可将型壁处产生的晶体脱落且游离到铸件的内部，并发生增殖，从而为形成等轴晶提供核心，有利于等轴晶的形成，并细化组织。4.4.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哪些种类，其作用条件和机理如何? ? 答答：生核剂主要有两类：一类是起非自发形核作用；另一类是通过在生长界面前沿的成分富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生缩颈，促进枝晶熔断和游离而细化晶粒。 作用条件及机理： （1）对对于于第第一一类类生生核核剂剂可可以以从
10、从三三个个方方面面来来理理解解 。 第一种情况是孕育剂含有直接作为非自发生核的物质，即一些与欲细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属微小颗粒。它们在液态金属中可直接作为欲细化相的有效衬底而促进非均质生核。第二种情况，孕育剂能与液相中某些元素(最好是欲细化相的原子)反应生成较稳定的化合物而产生非自发生核。此化合物应与欲细化相具有界面共格对应关系而能促进非均质生核。第三种情况，通过在液相中造成很大的微区富集而迫使结晶相提前弥散析出而生核。 （2）对于第二类生核剂，它的作用在于使枝晶产生更细的脖颈，其结果必然导致结晶更易于游离。这种晶粒细化剂之所以使枝晶脖颈更细，主要是溶质的偏析造成的，在凝固
11、过程中由于溶质在枝晶侧向的偏析，使此处的过冷度减少，从而使晶体的长大受到抑制而产生细的脖颈。5.5.试分析影响铸件宏观凝固组织的因素，列举获得细等轴晶的常用方法。试分析影响铸件宏观凝固组织的因素，列举获得细等轴晶的常用方法。答答：铸件的三个晶区的形成是相互联系相互制约的，稳定凝固壳层的形成决定着表面细晶区向柱状晶区的过度，而阻止柱状晶区的进一步发展的关键则是中心等轴晶区的形成，因此凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离，以及有助于游离晶的残存与增殖的各种因素都将抑制柱状晶区的形成和发展，从而扩大等轴晶区的范围，并细化等轴晶组织。细化等轴晶的常用方法：（1） 合理的浇注工艺：合理降低浇注温度是减少柱
12、状晶、获得及细化等轴晶的有效措施；通过改变浇注方式强化对流对型壁激冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等轴晶的形成；（2）冷却条件的控制：对薄壁铸件，可采用高蓄热、快热传导能力的铸型；对厚壁铸件，一般采用冷却能力小的铸型以确保等轴晶的形成，再辅以其它晶粒细化措施以得到满意的效果；（3）孕育处理：影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒。 （4）动力学细化：铸型振动;超声波振动;液相搅拌;流变铸造，导致枝晶的破碎或与铸型分离，在液相中形成大量结晶核心，达到细化晶粒的目的。6.6.何谓何谓“孕育衰退孕育衰退” ，如何防止，如何防止? ? 答答：孕育衰退是指孕育效果逐渐减弱的现象。孕育效果不仅取决于孕育剂的本
13、身，而且也与孕育处理工艺密切相关。一般处理温度越高，孕育衰退越快，在保证孕育剂均匀散开的前提下，应尽量降低处理温度。孕育剂的粒度也要根据处理温度、被处理合金液量和具体的处理方法来选择。7.7.试述焊接熔池中金属凝固的特点。试述焊接熔池中金属凝固的特点。 答答：熔焊时，在高温热源的作用下，母材发生局部熔化，并与熔化了的焊接材料相互混合形成熔池，同时进行短暂而复杂的冶金反应。当热源离开后，熔池金属便开始了凝固。因此，焊接熔池具有以下一些特殊性。 （1）熔池金属的体积小，冷却速度快。在一般电弧焊条件下，熔池的体积最大也只有 30cm3 ，冷却速度通常可达 4100/s， 。 （2）熔池金属中不同区域
14、温差很大、中心部位过热温度最高。熔池金属中温度不均匀，且过热度较大，尤其是中心部位过热温度最高，非自发形核的原始质点数将大为减少。 （3）动态凝固过程。一般熔焊时，熔池是以一定的速度随热源而移动。 （4）液态金属对流激烈。熔池中存在许多复杂的作用力，使熔池金属产生强烈的搅拌和对流，在熔池上部其方向一般趋于从熔池头部向尾部流动，而在熔池底部的流动方向与之正好相反，这一点有利于熔池金属的混和与纯净。 第六章 孕孕育育处处理理 是在浇注之前或浇注过程中向液态金属中添加少量的物质以达到细化晶粒，改善宏观组织目的的一种工艺方法。快快速速凝凝固固 是指采用急冷技术或深度过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的
15、凝固过程，通常其界面推进速率大于10mm/s。 材材料料的的结结构构变变化化 :形成超细组织；形成溶解度比通常情况下大得多的过饱和固溶体，固溶体中合金元素的含量大大超过平衡相图上合金元素的极限溶解度；形成亚稳相或新的结晶相；形成微晶，纳米晶或金属玻璃；通过形成不同的组织结构，特别是亚稳相，微晶，纳米晶或金属玻璃，可以获得优异的强度，塑性，耐磨性，耐腐蚀性等，从而满足各种实际应用的需要。 急急冷冷技技术术快快速速凝凝固固分分为为 （1）液滴技术（ 2）旋转技术 （3）表面熔化技术 快快速速凝凝固固方方法法 （1）把金属或合金熔体分散成小液滴，以使这些小液滴在凝固前达到很大的过冷度。 （2)使液流
16、保持一个很小的截面，并于高效冷却器接触。 （3）是材料的一个薄层快速熔化并与无限大的散热器紧密接触。散热器通常是同一种材料或相关材料。 金金属属玻玻璃璃的的合合金金的的主主要要特特征征 （1）由至少三种元素组成的多元合金系。（2）三种主要组成元素的原子尺寸具有显著的差异，其原子尺寸比的差值在12%以上。 （3）三种主要组成元素混合时放热。 定定向向凝凝固固 技术在共晶凝固，定向柱状晶的生长和单晶铸造等方面都有重要意义 。对于凝固温度范围宽的合金，定向凝固通过和铸件的不同部位放置冷铁实现。这是凝固界面的温度梯度很大，糊状凝固区域也明显减少，因此补缩得到改善，铸件完整性变好，同时铸件的力学性能也得以提高。 在在重重力力条条件件下下 ，温度梯度引起对流流动，这使凝固界面处溶质原子的浓度发生
