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1、 复习资料：第 3 章 金属的凝固 1、金属的熔化是从哪里开始的？为什么？答：金属的熔化是从晶界开始的。由于晶界上原子排列的相对不规则性，具有较高的势能。2、何为晶界粘性流动？答：金属被加热到熔点附近，晶界首先开始熔化，晶粒间可出现相对流动，称为晶界粘性流动。3、液体与固体及气体比较各有哪些异同点？哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破 坏？答：（1）液体与固体及气体比较的异同点可用下表说明 相同点 不同点 液体 具有自由表面；可 具有流动性，不能承受切应力；远程无序，近程有序 固体 压缩性很低 不具有流动性，可承受切应力；远程有序 液体 完全占据容器空间 远程无序，近程有序；有自由
2、表面；可压缩性很低 并取得容器内腔形 气体 状；具有流动性 完全无序；无自由表面；具有很高的压缩性 （2）金属的熔化不是并不是原子间结合力的全部破坏可从以下二个方面说明：物质熔化时体积变化、熵变及焓变一般都不大。金属熔化时典型的体积变化 V m/V 为 3%5%左右，表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。金属熔化潜热 H m 约为气化潜热 Hb 的 1/151/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被 破坏。由此可见，金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。4、金属的熔化状态，原子的结合键否完全被破
3、坏？答：金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。5、如何认识液态金属结构的“长程无序”和“近程有序”？答：长程无序是指液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性。近程有序是指相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有序的原子集团 6、如何理解实际液态金属结构及其三种“起伏”特征？答：理想纯金属是不存在的，即使非常纯的实际金属中总存在着大量杂质原子。实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇、空穴所组成，同时也含有各种固态、液态或气态杂质或化合物，而且还表现出 能量、结构及浓度
4、三种起伏特征 ，其结构相当复杂。能量起伏是指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停地变化，时高时低的现象。结构起伏是指液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不断地分化组合，由于“能量起伏”，一部分金属原子（离子）从某个团簇中分化出去，同时又会有另一些原子组合到该团簇中，此起彼 伏，不断发生着这样的涨落过程，似乎原子团簇本身在“游动”一样，团簇的尺寸及其内部原子数 量都随时间和空间发生着改变的现象。浓度起伏是指在多组元液态金属中，由于同种元素及不同元素之间的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子容易聚集在一起，把别的原于排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差
5、异，而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化的现象。7、理想纯金属液态结构在熔点以上不高的温度范围内有何特点？答：“长程无序”和“近程有序”能量起伏、结构起伏 8、实际金属合金液态结构与理想金属液态结构有何不同？答：实际金属合金液态结构是由各种成分的原子团、游离原子、空穴、裂纹、杂质及气泡组成的 “混 浊”液体，除了存在能量起伏、结构起伏外，还存在浓度起伏，9.根据牛顿粘性定律说明为动力学粘度 的物理意义，并讨论液体粘度（内摩擦阻力）与液体 的原子间结合力之间的关系。答：物理意义：作用于液体表面的应力 大小与垂直于该平面方向上的速度梯度 dVX/dy 的比例系数。通常液体的粘度表
6、达式为 C exp(U/kB T)。这里 kB 为 Bolzmann 常数，U 为无外力作用时原 子之间的结合能（或原子扩散势垒），C为常数，T 为热力学温度。根据此式，液体的粘度 随结合 能 U 按指数关系增加，这可以理解为，液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度也就越高。10、分析物质表面张力产生的原因以及与物质原子间结合力的关系。答：表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所造成。由于液体或固体的表面原子受内部的作用力较大，而朝着气体的方向受力较小，这种受力不均引起表面原子的势能比内部原子的势能高。因此，物体倾向于减小其表面积而产生表面张力。原子间结合力越大，表面内能越大，表面
7、张力也就越大。但表面张力的影响因素不仅仅只是原子间结合力，与上述论点相反的例子大量存在。研究发现有些熔点高的物质，其表面张力却比熔点 低的物质低，如 Mg 与 Zn 同样都是二价金属，Mg 的熔点为 650，Zn 的熔点为 420，但 Mg 的表面张力为 559mN/m；Zn 的表面张力却为 782mN/m。此外，还发现金属的表面张力往往比非金属 大几十倍，而比盐类大几倍。这说明单靠原子间的结合力是不能解释一切问题的。对于金属来说，还应当从它具有自由电子这一特性去考虑。11、表面张力与界面张力有何异同点？界面张力与界面两侧（两相）质点间结合力的大小有何关系？答：界面张力与界面自由能的关系相当于
8、表面张力与表面自由能的关系，即界面张力与界面自由能的大小和单位也都相同。表面与界面的差别在于后者泛指两相之间的交界面，而前者特指液体或固体与气体之间的交界面，但更严格说，应该是指液体或固体与其蒸汽的界面。广义上说，物体（液体或固体）与气相之间的界面能和界面张力为物体的表面能和表面张力。当两个相共同组成一个界面时，其界面张力的大小与界面两侧（两相）质点间结合力的大小成反比，两相质点间结合力越大，界面能越小，界面张力就越小；两相间结合力小，界面张力就大。相反，同一金属（或合金）液固之间，由于两者容易结合，界面张力就小。相对不规则性具有较高的势能何为晶界粘性流动答金属被加热到熔点附近晶界首先开始熔化
9、晶粒间可出现相对流动称为晶界粘性流动液体与固体及气体比较各有哪些异同点哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏答并取得容器内腔形气体状具有流动性不同点具有流动性不能承受切应力远程无序近程有序不具有流动性可承受切应力远程有序远程无序近程有序有自由表面可压缩性很低完全无序无自由表面具有很高的压缩性金属的熔化不是并不是变化为左右表明液体的原子间距接近于固体在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度金属熔化潜热约为气化潜热的表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏由此可见金属的熔化并不是原子间结合键的全部 12、简述液态金属的表面张力的实质。答：质点间的作用力 13、试利用杨氏
10、方程 出现？，说明当在固气表面张力小于液固表面张力时，以下哪种情况会 14液态金属的表面张力有哪些影响因素？试总结它们的规律。答：液态金属的表面张力的影响因素有：（1）原子间结合力 原子间结合力越大，表面内能越大，表面张力也就越大。但表面张力的影响因素不仅仅只是原子间结合力，研究发现有些熔点高的物质，其表面张力却比熔点低的物质低。此外，还发现金属的表面张力往往比非金属大几十倍，而比盐类大几倍。这说明单靠原子间的结合力是不能解释一切问题的。对于金属来说，还应当从它具有自由电子这一特性去考虑。（2）温度 液态金属表面张力通常随温度升高而下降，因为原子间距随温度升高而增大。（3）合金元素或微量杂质元
11、素 合金元素或微量杂质元素对表面张力的影响，主要取决于原子间结合力的改变。向系统中加入削弱原子间结合力的组元，会使表面张力减小，使表面内能降低，这样，将会使表面张力降低。合金元素对表面张力的影响还体现在溶质与溶剂原子体积之差。当溶质的原子体积大于溶剂原子体积，由于造成原子排布的畸变而使势能增加，所以倾向于被排挤到表面，以降低整个系统的能量。这些富集在表面层的元素，由于其本身的原子体积大，表面张力低，从而使整个系统的表面张 力降低。原子体积很小的元素，如 O、S、N 等，在金属中容易进入到熔剂的间隙使势能增加，从而被排挤到金属表面，成为富集在表面的表面活性物质。由于这些元素的金属性很弱，自由电子
12、很少，因此表面张力小，同样使金属的表面张力降低。（4）溶质元素的自由电子数目 大凡自由电子数目多的溶质元素，由于其表面双电层的电荷密度大，从而造成对金属表面压力大，而使整个系统的表面张力增加。化合物表面张力之所以较低，就是由于其自由电子较少的缘故。15 试述液态金属充型能力与流动性间的联系和区别 响规律。，并分析合金成分及结晶潜热对充型能力的影 答：(1)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，即液态金属充填铸 型的能力，简称为液态金属充型能力。液态金属本身的流动能力称为“流动性”，是液态金属的工艺 性能之一。液态金属的充型能力首先取决于金属本身的流动能力，同时又受外界条件，
13、如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。在工程应用及研究中，通常，在相同的条件下（如相同的铸型性质、浇注系统，以及浇注时控制合金液相同过热度，等等）浇注各种合金的流动性试样，以试样的长度表示该合金的流动性，并以所测得的合金流动性表示合金的充型能力。因此可以认为：合金的流动性是在确定条件下的充型能力。对于同一种合金，也可以用流动性试样研究各铸造工艺因素对其充型能力的影响。相对不规则性具有较高的势能何为晶界粘性流动答金属被加热到熔点附近晶界首先开始熔化晶粒间可出现相对流动称为晶界粘性流动液体与固体及气体比较各有哪些异同点哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏答
14、并取得容器内腔形气体状具有流动性不同点具有流动性不能承受切应力远程无序近程有序不具有流动性可承受切应力远程有序远程无序近程有序有自由表面可压缩性很低完全无序无自由表面具有很高的压缩性金属的熔化不是并不是变化为左右表明液体的原子间距接近于固体在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度金属熔化潜热约为气化潜热的表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏由此可见金属的熔化并不是原子间结合键的全部 (2)合金的化学成分决定了结晶温度范围，与流动性之间存在一定的规律。一般而言，在流动性曲线上，对应着纯金属、共晶成分和金属间化合物之处流动性最好，流动性随着结晶温度范围的增大而下降，在结晶温度范
15、围最大处流动性最差，也就是说充型能力随着结晶温度范围的增大而越来越差。因为对于纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金，在固定的凝固温度下，已凝固的固相层由表面逐步向内部推进，固相层内表面比较光滑，对液体的流动阻力小，合金液流动时间长，所以流动性好，充型能力强。而具有宽结晶温度范围的合金在型腔中流动时，断面上存在着发达的树枝晶与未凝固的液体相混杂的两相区，金属液流动性不好，充型能力差。(3)对于纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金，在一般的浇注条件下，放出的潜热越多，凝固过程进行的越慢，流动性越好，充型能力越强；而对于宽结晶温度范围的合金，由于潜热放出 1520%以后，晶粒就连成网络而停止流动，潜
16、热对充型能力影响不大。但也有例外的情况，由于 Si 晶体结晶潜热为-Al 的 4 倍以上，Al-Si 合金由于潜热的影响，最好流动性并不在共晶成分处。l A 1 k H c1(T浇 Tk)2gH TL T型 P 16 某飞机制造厂的一牌号 Al-Mg 合金（成分确定）机翼因铸造常出现“浇不足”缺陷而报废，如 果你是该厂工程师，请问可采取哪些工艺措施来提高成品率？答：机翼铸造常出现“浇不足”缺陷可能是由金属液的充型能力不足造成的，可采取以下工艺提高成品率：（1）使用小蓄热系数的铸型来提高金属液的充型能力；采用预热铸型，减小金属与铸型的温差，提高金属液充型能力。（2）提高浇注温度，加大充型压头，可
17、以提高金属液的充型能力。（3）改善浇注系统，提高金属液的充型能力。17、下图适用于哪种金属？试根据下图说明这类金属停止流动的机理。18、下图适用于 停止流动。A、纯金属 B、结晶温度很窄的合金 C、共晶成分的合金 D、结晶温度很宽的合金 19、怎样理解溶质平衡分配系数 K0 的物理意义及热力学意义？答：（1）K 0 的物理意义如下：相对不规则性具有较高的势能何为晶界粘性流动答金属被加热到熔点附近晶界首先开始熔化晶粒间可出现相对流动称为晶界粘性流动液体与固体及气体比较各有哪些异同点哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏答并取得容器内腔形气体状具有流动性不同点具有流动性不能承受切应力远
18、程无序近程有序不具有流动性可承受切应力远程有序远程无序近程有序有自由表面可压缩性很低完全无序无自由表面具有很高的压缩性金属的熔化不是并不是变化为左右表明液体的原子间距接近于固体在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度金属熔化潜热约为气化潜热的表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏由此可见金属的熔化并不是原子间结合键的全部 溶质平衡分配系数 K0 定义为：特定温度 T*下固 相合金成分浓度 C S 与液相合金成分浓度 C L T 达到平衡时的比值：K0 1 C S C0K 0 K 0 =*C L T C*C L 0 K 0 S C0/K 0 K 1 时，固相线、液相线构成的张角
19、朝下，越小，固相线、液相线张开程度越大，开始结晶 时与终了结晶时的固相成分差别越大，最终凝 固组织的成分偏析越严重。K 1 时，固相线、液相线构成的张角朝上，K 0 C 0 C，%0 越大，固相线、液相线张开程度越大，开始结晶 平衡分配系数 O 的物理意义 时与终了结晶时的固相成分差别越大，最终凝 K 固组织的成分偏析越严重。20、溶质平衡分配系数 K0定义为 。K 0 1 时，固相线、液相线构成的 张角朝，K 0 越大，固相线、液相线张开程度越 ，开始结晶时与终了结晶时的固相成 分差别越，最终凝固组织的成分偏析越 。21、何谓结晶过程中的溶质再分配?答：结晶过程中的溶质再分配：是指在结晶过程
20、中溶质在液、固两相重新分布的现象。22、论述 成分过冷与热过冷 的涵义以及它们之间的区别和联系。成分过冷的涵义:合金在不平衡凝固时，使液固界面前沿的液相中形成溶质富集层，因富集层中各处的合金成分不同，具有不同的熔点，造成液固前沿的液相处于不同的过冷状态，这种由于液固界面前沿合 金成分不同造成的过冷。热过冷的涵义:界面液相侧形成的负温度剃度，使得界面前方获得大于成分过冷与热过冷的区别:热过冷 是由于液体具有较大的过冷度时，在界面向前推移的情况下，结晶潜热的释放而产生的负温度梯度所形成的。可出现在纯金属或合金的凝固过程中，一般都生成树枝晶。成分过冷 是由溶质富集所产生，只能出现在合金的凝固过程中，
21、其产生的晶体形貌随成分过冷程度的 不同而不同，当过冷程度增大时，固溶体生长方式由无成分过冷时的“平面晶”依次发展为：胞状晶柱状 树枝晶内部等轴晶（自由树枝晶）。成分过冷与热过冷的联系:对于合金凝固，当出现“热过冷”的影响时，必然受“成分过冷”的影响，而且后者往往更为重要。即使液相一侧不出现负的温度梯度，由于溶质再分配引起界面前沿的溶质富集，从而导致平衡结晶温度的变化。在负温梯下，合金的情况与纯金属相似，合金固溶体结晶易于出现树枝晶形貌。23、成分过冷判据是什么?成分过冷的大小受哪些因素的影响?答:成分过冷判据是 GL mL C0 (1 K 0)R D L K 0 (其中:GL 液相中温度梯度
22、R 晶体生长速度 mL 液相线斜率 C0 原始成分浓度 D L 液相中溶质扩散系数 Tk 的过冷度。相对不规则性具有较高的势能何为晶界粘性流动答金属被加热到熔点附近晶界首先开始熔化晶粒间可出现相对流动称为晶界粘性流动液体与固体及气体比较各有哪些异同点哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏答并取得容器内腔形气体状具有流动性不同点具有流动性不能承受切应力远程无序近程有序不具有流动性可承受切应力远程有序远程无序近程有序有自由表面可压缩性很低完全无序无自由表面具有很高的压缩性金属的熔化不是并不是变化为左右表明液体的原子间距接近于固体在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度金
23、属熔化潜热约为气化潜热的表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏由此可见金属的熔化并不是原子间结合键的全部 K0 平衡分配系数 K)成分过冷的大小主要受下列因素的影响:1）液相中温度梯度 GL,GL 越小,越有利于成分过冷 2）晶体生长速度 R,R 越大,越有利于成分过冷 3）液相线斜率 mL,mL 越大,越有利于成分过冷 4）原始成分浓度 C0,C0 越高,越有利于成分过冷 5）液相中溶质扩散系数 DL,D L 越底,越有利于成分过冷 6）平衡分配系数 K0,K 0 1 时，K 0 越 小,越有利于成分过冷；K0 1 时，K 0 越大,越有利于成分过冷。(注:其中的 GL 和 R 为工艺因素
24、 ,相对较易加以控制;m L,C0,D L,K 0,为材料因素,较难控制)24、分别讨论“成分过冷”对单相固溶体及共晶凝固组织形貌的影响？答 :“成分过冷”对单相固溶体组织形貌的影响:随着“成分过冷”程度的增大，固溶体生长方式由无 “成分过冷”时的“平面晶”依次发展为：胞状晶柱状树枝晶内部等轴晶（自由树枝晶）。“成分过冷”对共晶凝固组织形貌的影响:1)共晶成分的合金，在冷速较快时，不一定能得到 100 的共晶组织，而是得到亚共晶或过共晶组织，甚至完全得不到共晶组织；2）有些非共晶成分的合金在冷速较快时反而得到 100的共晶组织；3）有些非共晶成分的合金，在一定的冷速下，既不出现 100的共晶组
25、织，也不出现初晶+共晶的情况，而是出现“离异共晶”。25、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？答:“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“外生生长”。平 相对不规则性具有较高的势能何为晶界粘性流动答金属被加热到熔点附近晶界首先开始熔化晶粒间可出现相对流动称为晶界粘性流动液体与固体及气体比较各有哪些异同点哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏答并取得容器内腔形气体状具有流动性不同点具有流动性不能承受切应力远程无序近程有序不具有流动性可承受切应力远程有序远程无序近程有序有自由表面可压缩性很低完全无序无自
26、由表面具有很高的压缩性金属的熔化不是并不是变化为左右表明液体的原子间距接近于固体在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度金属熔化潜热约为气化潜热的表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏由此可见金属的熔化并不是原子间结合键的全部 面生长、胞状生长和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（T 异），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
27、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。26、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答：铸件的宏观组织通常由激冷晶区、柱状晶区和内部等轴晶区所组成。?表面激冷区的形成：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，由于其结晶潜热既可从型壁导出，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。柱状晶区的形成：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
28、过冷度，使表面 细晶粒区继续长大（也可能直接从型壁处长出），又由于固 -液界面处单向的散热条件（垂直于界面 方向），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。内部等轴晶的形成：内部等轴晶区的形成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，再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的，因此
29、长成了等轴晶。27、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：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
30、晶粒的作用。28、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：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 相对不规则性具有较高的势能何为晶界粘性流动答金属被加热到熔点附近晶界首先开始熔化晶粒间可出现相对流动称为晶界粘性流动液体与固体及气体比较各有哪些异同点哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏答并取得容器内腔形气体状具有流动性不同点具有流动性不能承受切应力远程无序近程有序不具有流动性可承受切应力远程有序远程无序近程有序有自由表面可压
31、缩性很低完全无序无自由表面具有很高的压缩性金属的熔化不是并不是变化为左右表明液体的原子间距接近于固体在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度金属熔化潜热约为气化潜热的表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏由此可见金属的熔化并不是原子间结合键的全部 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。29、常用生核剂有哪些种类，其作用条件和机理如何?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）
32、对于第一类生核剂可以从三个方面来理解。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
33、固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。30、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：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
34、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；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 （3）;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。31、从“型壁晶粒脱落、游离及增殖”观点分析铸件内部等轴晶的形成机理。简述三种促进及细化等轴晶的工艺措施及其作用机制。答：纯金属晶粒不易从型壁脱落。而液态合金中存在溶质再分配，型壁处激冷晶区
35、中某些晶粒形成“脖颈”，由于浇注过程中液流的冲刷作用，使“脖颈”折断发生晶体脱落，从而形成游离的晶粒，在液流冲刷、对流作用下自型壁处向型腔内部液态金属游离，成为内部等轴晶形核的基底。游离过程中，在低温区域晶粒生长，在高温区域晶粒可能重熔。晶体游离过程也可能产生脖颈发生根部熔断，由一个等轴晶变为几个等轴晶，发生增殖。细化等轴晶的措施：凡强化晶体生核，促进晶粒游离、增殖的措施均可细化晶粒，例如：1)合理的浇注工艺和冷却条件。控制较低的合适浇注温度，可防止晶核的重熔消失；改变浇注方式加强对流时对型壁激冷晶的冲刷作用可促进晶粒游离，细化晶粒。2)孕育处理：在浇注前或浇注过程中向液态金属中加入少量孕育剂
36、，从而提供非均质形核质点，达到获得细化晶粒，改善宏观组织的目的。3)动力学细化：采用机械震动或电磁震动，导致固相与液相的相对运动，使枝晶破碎或与铸型分离。常用方法：铸型震动，超声波振动，液相搅拌，流变铸造。相对不规则性具有较高的势能何为晶界粘性流动答金属被加热到熔点附近晶界首先开始熔化晶粒间可出现相对流动称为晶界粘性流动液体与固体及气体比较各有哪些异同点哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏答并取得容器内腔形气体状具有流动性不同点具有流动性不能承受切应力远程无序近程有序不具有流动性可承受切应力远程有序远程无序近程有序有自由表面可压缩性很低完全无序无自由表面具有很高的压缩性金属的熔化
37、不是并不是变化为左右表明液体的原子间距接近于固体在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度金属熔化潜热约为气化潜热的表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏由此可见金属的熔化并不是原子间结合键的全部 32、试述焊接熔池中金属凝固的特点。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 4 100 /s，。（2）熔池金属中不同区域温差很大、
38、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。33、试述焊接熔池晶体的形核与生长规律。34、产生焊缝中心纵向裂纹的原因是什么？应如何避免？35、简述焊缝组织的结晶形态特点及其对性能的影响，如何改善？材料成形原理 -凝固理论复习题 一、填空题 1.液态金属或合金中
39、一般存在 起伏、起伏和 起伏，其中在一定过冷度下，临界核心由 起伏提供，临界生核功由 起伏提供。2、影响液态金属界面张力的因素主要有、和。3、纯金属凝固过程中晶体的宏观长大方式可分为 和 两种，其主要取决于界面前沿液相中的。4、金属（合金）凝固过程中由热扩散控制的过冷被称为。5、铸件的宏观凝固组织主要是指，其通常包 括、和 三个典型晶区。6、孕育和变质处理是控制金属（合金）铸态组织的主要方法，两者的主要区别在于孕育主要影 响，而变质则主要改变。7、液态金属成形过程中在 附近产生的裂纹称为热裂纹，而在 附 近产生的裂纹称为冷裂纹。8、铸造合金从浇注温度冷却到室温一般要经历、和 三个收缩阶段。9、
40、铸件凝固组织中的微观偏析可分为、和 等，其均可通过 方法消除。10、铸件中的成分偏析按范围大小可分为 和 两大类。11、液态金属的流动性主要由、和 等决定。12、液态金属（合金）凝固的驱动力由 提供，而凝固时的形核方式有 和 两种。13、铸件凝固过程中采用 、和 等物理方法实现动态结晶，可以有 效地细化晶粒组织。相对不规则性具有较高的势能何为晶界粘性流动答金属被加热到熔点附近晶界首先开始熔化晶粒间可出现相对流动称为晶界粘性流动液体与固体及气体比较各有哪些异同点哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏答并取得容器内腔形气体状具有流动性不同点具有流动性不能承受切应力远程无序近程有序不具有
41、流动性可承受切应力远程有序远程无序近程有序有自由表面可压缩性很低完全无序无自由表面具有很高的压缩性金属的熔化不是并不是变化为左右表明液体的原子间距接近于固体在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度金属熔化潜热约为气化潜热的表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏由此可见金属的熔化并不是原子间结合键的全部 14、孕育和变质处理是控制金属（合金）铸态组织的主要方法，两者的主要区别在于孕育主要影 响，而变质则主要改变 。15、铸件的凝固方式可以分为 逐层凝固、中间凝固 和 体积凝固 三种不同形式，影响合金凝固 方式的两个主要因素是：凝固温度区间 和 界面前沿的温度梯度 。16、Jak
42、son 因子 a 可以作为固 -液界面微观结构的判据，凡 a 2 的晶体，其生长界面为 粗糙 ，凡 a 5 的晶体，其生长界面为 光滑 。17、在固相无扩散，液相无对流只有有限扩散的条件下，晶体生长速度越 快、平衡分配系数越 小、液相中溶质扩散系数越 慢，越 容易 形成成分过冷。二、判断题 1、液态金属的流动性越强，其充型能力越好。（）2、金属结晶过程中，过冷度越大，则形核率越高。（）3、稳定温度场通常是指温度场内各点的温度不随时间而变的温度场。（）4、实际液态金属（合金）凝固过程中的形核方式多为异质形核。（）5、壁厚不均匀的铸件在凝固过程中，薄壁部位较厚壁部位易出现裂纹。（）三、名词解释 1
43、、晶界粘性流动 2、相变应力 3、平衡凝固 4、定向凝固原则 5、偏析 四、简答题 1、简述为什么在铸件凝固过程中降低浇注温度是减少柱状晶、获得等轴晶的有效措施之一？2、什么是缩孔和缩松？请分别简述这两种铸造缺陷产生的条件和基本原因？3、从“型壁晶粒脱落、游离及增殖”观点分析铸件内部等轴晶的形成机理。答：纯金属晶粒不易从型壁脱落。而液态合金中存在溶质再分配，型壁处激冷晶区中某些晶粒形成 “脖颈”，由于浇注过程中液流的冲刷作用，使“脖颈”折断发生晶体脱落，从而形成游离的晶粒，在液流冲刷、对流作用下自型壁处向型腔内部液态金属游离，成为内部等轴晶形核的基底。游离过 程中，在低温区域晶粒生长，在高温区
44、域晶粒可能重熔。晶体游离过程也可能产生脖颈发生根部熔 断，由一个等轴晶变为几个等轴晶，发生增殖。三、选择填空 1关于均质形核，以下正确的说法是：d a温度越低，形核的驱动力越大。b形核功越大，越容易形核。c温度越高，形核功越小。d过冷度越大，形核功越小。3非均质形核与均质形核相比：b a临界晶核半径更小。b临界晶核体积更小。c临界过冷度更大。d a 和 b。相对不规则性具有较高的势能何为晶界粘性流动答金属被加热到熔点附近晶界首先开始熔化晶粒间可出现相对流动称为晶界粘性流动液体与固体及气体比较各有哪些异同点哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏答并取得容器内腔形气体状具有流动性不同点
45、具有流动性不能承受切应力远程无序近程有序不具有流动性可承受切应力远程有序远程无序近程有序有自由表面可压缩性很低完全无序无自由表面具有很高的压缩性金属的熔化不是并不是变化为左右表明液体的原子间距接近于固体在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度金属熔化潜热约为气化潜热的表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏由此可见金属的熔化并不是原子间结合键的全部 4在共晶合金的凝固中，可能出现的现象是：d a非共晶成分的合金也可以得到 100%的共晶组织。b共晶成分的合金，一定可以得到 100%的共晶组织。c共晶成分的合金，也可能得不到 100%的共晶组织。d a 和 c 。6从液态金属与熔
46、渣的相互作用规律，可知：a 或 b a碱性熔渣对液态金属的氧化性比酸性熔渣强。b酸性熔渣对液态金属的氧化性比碱性渣强。c熔渣对液态金属的氧化性与其含 FeO 的量有关，而与熔渣的酸碱度无关。d随着温度的升高，熔渣对液态金属的氧化性减弱。7生产中用来防止焊接冷裂纹的措施通常是：d a.焊前预热。b.焊后后热。c.选用碱性焊条。d.a 、b 和 c。8以下与凝固过程中溶质再分配无关的缺陷是：c a析出性气孔。b夹杂。c 缩孔。d热裂纹。9以下使铸件在凝固过程中产生缩孔的条件是：a a.逐层凝固方式。b.较低的浇注温度。c.较快的凝固速度。d.较宽的结晶温度范围。相对不规则性具有较高的势能何为晶界粘性流动答金属被加热到熔点附近晶界首先开始熔化晶粒间可出现相对流动称为晶界粘性流动液体与固体及气体比较各有哪些异同点哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏答并取得容器内腔形气体状具有流动性不同点具有流动性不能承受切应力远程无序近程有序不具有流动性可承受切应力远程有序远程无序近程有序有自由表面可压缩性很低完全无序无自由表面具有很高的压缩性金属的熔化不是并不是变化为左右表明液体的原子间距接近于固体在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度金属熔化潜热约为气化潜热的表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏由此可见金属的熔化并不是原子间结合键的全部