金属凝固原理复习大纲.docx

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金属凝固原理复习大纲

金属凝固原理复习大纲

绪论

1、凝固定义

宏观上：

物质从液态转变成固态的过程。

微观上：

激烈运动的液体原子回复到规则排列的过程。

2、液态金属凝固的实质：

原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程

液态金属的结构特征：

“近程有序”、“远程无序”

组成：

液态金属是由游动的原子团、空穴或裂纹构成

3、液态金属的性质：

粘度和表面张力

粘度的物理意义：

单位接触面积，单位速度梯度下两层液体间的内摩擦力

粘度的本质上是原子间的结合力

影响液体金属粘度的主要因素是：

化学成分、温度和夹杂物

表面张力的物理意义：

作用于表面单位长度上与表面相切的力，单位N/m

影响液体金属表面张力的主要因素是：

熔点、温度和溶质元素。

取决于质点间的作用力

4、液体结构的特性：

近程有序和远程无序

晶体:

凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列的物质称为晶体。

单晶体:

在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体

多晶体:

大多数金属通常是由位向不同的小单晶（晶粒）组成，属于多晶体。

吸附是液体或气体中某种物质在相界面上产生浓度增高或降低的现象。

金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶

金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶

当向溶液中加入某种溶质后，使溶液表面自由能降低，并且表面层溶质的浓度大于溶液内部深度，则称该溶质为表面活性物质（或表面活性剂），这样的吸附称为正吸附。

反之，如果加入溶质后，使溶液的表面自由能升高，并且表面层的溶质浓度小于液体内部的浓度，则称该溶质为非表面活性物质（或非表面活性剂），这样的吸附为负吸附

第1章凝固过程的传热

1、凝固过程的传热特点：

“一热、二迁、三传”

“一热”指热量的传输是第一重要；

“二迁”指存在两个界面，即固－液相间界面和金属－铸型间界面。

“三传”指动量传输、质量传输和热量传输的三传耦合的三维热物理过程。

2、金属型特点：

具有很高的导热性能；非金属型铸造特点：

与金属相比具有非常小热导率，故凝固速度主要取决于铸型的传热性能。

铸型外表面温度变化不大，故可把铸型看成是半无限厚的。

第二章凝固动力学

1、自发过程：

从不平衡态自发地移向平衡态的过程（不可逆过程）

2、化学势：

某一组元的化学势为1mol该组元物质的吉布斯自由能，是1mol的恒温等压势。

3、公切线原理求相平衡P61.63

4、判断平衡相（液相还是固相）P65

4、溶质平衡分配系数K0：

恒温下固相溶质浓度CS与液相溶质浓度CL达到平衡时的比值。

K0=CS/CL=mL/mS=

5、界面曲率对溶质平衡分配系数k0影响：

曲率半径小的晶体，其固液界面前沿富集起来的液相溶质浓度比曲率半径大的晶体小。

在理想溶液中是均匀向下移动相图中液固相线位置。

6、压力对溶质平衡分配系数k0的影响：

均匀地向上移动相图中液固相线位置。

第3章凝固动力学

1、形核：

亚稳定的液态金属通过起伏作用在某些微观小区域内生成稳定存在的晶态小质点的过程。

2、均质形核：

在没有任何外来的均质溶体中，依靠液体金属内部自身结构自发地形核。

均质形核在溶体各处概率相同，全部固液界面都由形核过程提供。

因此热力学能障大，所需驱动力大。

异质形核：

在不均匀的溶体中依靠外来夹杂或型壁界面所提供的异质界面进行形核。

异质形核首先发生在外来界面处，因此能障较小，所需的驱动力也较小。

3、形核相变的驱动力：

固液相体积自由能差；阻力：

界面能。

4、形核速率是在单位体积中单位时间内形成的晶核数目。

5、在液相中那些对形核有催化作用的现成界面上形成的晶核称为非自发形核

6、均质形核理论的局限性：

均质形核是对理想纯金属而言的，其过冷度很大比实际液态金属凝固时的过冷度大多了。

实际上金属结晶时的过冷度一般为几分之一摄氏度到十几摄氏度。

实际的液态金属（合金）在凝固过程中多为异质形核。

7、均质形核与异质形核的异同：

相同点：

异质形核的临界晶核半径在形式上与均质形核临界晶核半径完全相同

不同点：

①均质形核临界晶核是球体，而异质形核的晶核为球体的一部分（球冠），因而异质晶核中所含原子数目少，这样的晶坯易形成。

②润湿角θ与均质形核无关，而影响异质晶核的体积

8、形核剂的条件：

①适配度小②粗糙度大③分散性好④温稳定性好

9、当晶格点阵适配度δ≤5%时，通过点阵畸变过渡，可以实现界面两侧原子之间的一一对应。

这种界面称为完全共格界面，其界面能较低，衬底促进非均质生核的能力很强；当5%＜δ＜25%时为部分共格界面；当δ≥25%时，为不共格，夹杂物衬底无形核能力。

10、界面共格对应原则：

固相杂质表面的原子排列规律和原子（晶粒细化剂的选择原则）间距与新相晶核相近。

（晶粒细化剂选择原则）

11、粗糙界面（非小晶面）：

微观粗糙，宏观光滑。

非小晶面长大。

大部分金属属于此类。

光滑界面（小晶面）：

微观光滑，宏观粗糙。

小晶面长大。

非金属、类金属（Bi、Sb、Si）属于此。

第4章单相合金的凝固

1、合金可分为单相合金和多相合金两大类。

单相合金是指在凝固过程中只析出一个固相的合金，如固溶体、金属间化合物等。

多相合金是指凝固过程中同时析出两个以上新相的合金如有共晶、包晶或偏晶转变的合金。

2、溶质再分配：

合金在凝固过程中，已析出固相排出多余的溶质原子（或溶剂原子），并富集在界面的液体中，造成成分分离的现象。

（合金凝固过程的一大特点）

3、平衡分配系数Ko实际上描述了在固、液两相共存的条件下溶质原子在界面两侧的平衡分配特征。

4、成分过冷：

合金晶体在长大过程中，因溶质再分配而引起的过冷，称为成分过冷。

其过冷度称为成分过冷的过冷度。

5、热过冷：

金属凝固过程中，纯粹由热扩散控制形成的过冷，称为热过冷，其过冷度称为热过冷的过冷度。

6、成分过冷条件：

①合金凝固过程中溶质在固-液界面前沿富集；②满足成分过冷判别式。

7、成分过冷的过冷度在生长着的固-液界面处最小，离开界面逐渐增大，因此界面很不稳定。

8、成分过冷降低了实际过冷度，阻碍了晶体的生长。

凡是溶质富集的地方，那里成分过冷就越大，其过冷度就越小，该处生长就越慢。

9、影响成分过冷的因素：

由成分过冷判据式可知，下列因素有利于成分过冷：

①液相中温度梯度小，GL小；

②晶体生长速度快，v大；

③陡的液相线斜率，mL大；

④原始成分浓度高，C0大；

⑤液相中溶质扩散慢，DL低；

⑥k0＜1时，k0小；k0＞1时，k0大

备注：

①和②属于工艺因素，③-⑥属于合金方面因素。

10、强成分过冷元素（表面活性元素）的选取原则：

①熔点低（液相线斜率陡，mL大）

②原子半径大（液相中溶质扩散慢，DL低）

③在合金中的固溶度小（k0小）

11、成分过冷的单相合金四种宏观生长方式（如右图）：

①无成分过冷的平面生长（GL1）

②窄成分过冷区的胞状生长（GL2）

③较宽成分过冷区的柱状树枝晶生长（GL3）

④宽成分过冷区的自由树枝晶生长（GL4）

12、“外生生长”与“内生生长”的概念：

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。

平面生长、胞状生长和柱状枝晶生长皆属此类。

内生生长：

等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式。

13、合金固溶体凝固时的晶体生长形态：

v不同的成分过冷情况（成分过冷主要结论！

）

①无成分过冷——平面晶

②窄成分过冷区间——胞状晶

③成分过冷区间较宽——柱状树枝晶

⑤宽成分过冷——内部等轴晶

14、平面生长→胞状生长→树枝晶生长演变过程：

由大逐渐减小，即随“成分过冷”程度增大，固溶体生长方式变化为：

平面晶→胞状晶→胞状树枝晶（柱状树枝晶）→内部等轴晶（自由树枝晶）

第五章多相合金的凝固

1、共晶组织的分类：

①规则共晶（金属一金属共晶），属于非小平面—非小平面共晶。

v固一液界面：

在原子尺度上是粗糙界面。

v组成：

金属—金属相或金属—金属间化合物相。

v组织形态：

层片状及棒状（出现哪种结构要取决于：

①α与β相间的体积比②第三组元的存在。

若某一相体积分数小于1/π时，该相出现棒状结构；若体积分数在1/π-1/2之间时，两相均以片状结构出现。

造成原因：

结构表面能的大小。

体积分数小于1/π时，棒状结构表面能小于片状结构；体积分数在1/π-1/2之间时，片状结构表面能小于棒状结构）。

v决定共晶两相长大的因素：

热流的方向和两组元在液相中的扩散，两相长大过程互相依赖的关系是界面附近的溶质横向扩散。

v固一液界面形态：

将近似地保持着平面，其等温面基本上也是平直的。

（每一相的长大受着另一相存在的影响，当共晶结晶时，两相并排地结晶出来并垂直于固一液界面长大）。

②非规则共晶（金属一非金属共晶），属于非小平面一小平面。

v固一液界面：

一个是特定的晶面。

v组织形态：

多种多样，简化为片状与丝状两大类。

v固一液界面形态：

非平面的且是极不规则的，其等温面也不是平直的。

△金属—金属共晶与金属—非金属共晶相同点：

热力学原理和动力学原理一样；不同点如上所述。

2、共生生长：

在共晶合金结晶时，后析出的相依附于领先相表面而析出，进而形成相互交叠的双相晶核且具有共同的生长界面，依靠溶质原子在界面前沿两相间的横向扩散，互相不断地为相邻的另一相提供生长所需的组元，彼此偶合的共同向前生长。

3、离异生长：

两相没有共同的生长界面，它们各以不同的速度而独立生长，在形成的组织中没有共生共晶的特征，这种非共生生长的共晶结晶方式称为离异生长，所形成的组织称为离异共晶。

4、偏晶合金的最终显微形貌将要取决于三个界面能、L1与L2的密度差以及固一液界面的推进速度

5、晶体生长机制（方式）：

v非小晶面结构——连续长大（正常长大）

v小晶面结构——侧面长大①二维晶核台阶②晶体缺陷台阶：

螺位错、孪晶沟槽。

6、“侧面长大”方式的三种机制：

v二维晶核机制：

台阶在界面铺满后即消失，要进一步长大仍须再产生二维晶核。

v螺旋位错机制：

这种螺旋位错台阶在生长过程中不会消失。

v孪晶面机制：

长大过程中沟槽可保持下去，长大不断地进行。

7、非平衡状态下的共晶生长区P173

第6章金属凝固的宏观组织

1、浇注及凝固过程中液体的三种流动形式:

①浇注时存在液流的冲刷——强制对流。

②浇注时及浇注完毕后液体存在自然对流。

③存在着枝晶间及分枝间的液体流动——微观流动。

2、金属凝固的典型宏观组织：

①表层细晶区

②内部柱状晶区：

晶粒垂直于型壁排列，且平行于热流方向

③中心等轴晶区：

晶粒较为粗大

3、获得细等轴晶的措施：

①增大冷却速度（V冷↑）和降低浇注温度（t浇↓）

②加强液体在浇注和凝固期间的流动

（促使型壁上已凝固层晶体的脱落，分枝的熔断脱落及脱落晶体的增殖。

）

③孕育处理

⑴外加晶核：

（在浇注时向液流中加入被细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属的碎粒，使之成为异质形核的有效衬底，促使异质形核，增加晶粒数而细化晶粒。

）

⑵采用生核剂

（加入的物质不一定能作为晶核，但通过它与液态金属的某些元素相互作用，能产生晶核或成为有效衬底，这类物质称为生核剂。

）

⑶采用强过冷成分元素

（强成分过冷元素在Al-Si合金中称为变质剂，生产中称为变质处理）

孕育处理是指在凝固过程中，向液态金属中添加少量其它物质，促进形核、抑制生长，达到细化晶粒的目的。

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简答题目：

1、纯金属和实际金属液态结构有何异同？

纯金属的液态结构：

接近熔点的液态金属是由和原子晶体显微晶体和“空穴”组成。

?

实际金属的液态结构：

存在着两种起伏：

能量起伏、浓度起伏。

微观上是由结构和成分不同的游动原子集团，空穴和许多固态，气态，液态化合物组成，是一种浑浊液体，而从化学键上看除了金属基体与其合金元素组成的金属键外，还存在着其他化学健。

2、液态金属的基本特征是什么？

①有固定的体积。

②有很好的流动性。

③物理化学性质接近于固态，而远离气态。

3、相平衡条件

相平衡时，每一组元在共存的各相中的化学势都必须相等。

在k个元素含有p个相的体系中，恒温等压的化学平衡条件是：

4、固液界面在结构上有哪两种类型？

他们在微观和宏观上的特点是什么？

光滑界面（小平面）和粗糙界面（非小平面）。

粗糙界面：

微观粗糙，宏观光滑；光滑界面：

微观光滑，宏观粗糙。

5、界面类型的实质是什么？

能量最低时的原子沉积几率不同。

能量最低时原子沉积几率近似为0或1，说明是光滑界面；能量最低时原子沉积几率近似为远离0或1，说明是粗糙界面。

6、讨论长大机制与过冷度的关系。

①过冷度小，按螺位错方式长大；②过冷度大，连续长大；③二维晶核长大在任何情况下，可能性都不大。

7、形核的首要条件是什么？

形核的首要条件是系统必须处于亚稳态提供相变驱动力；其次需要通过起伏作用克服能障才能形成稳定存在的晶核并确保其进一步生长。

8、为什么自发形核的临界形核功等于形成临界形核表面能的1/3？

见P93

9、均质形核机制必须具备哪些条件？

①冷液体中存在相起伏，以提供固相晶核的晶胚。

②形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，以提供临界形核功。

④为维持形核功，需要一定的过冷度

10、即三个基本条件：

过冷度，能量起伏，结构起伏。

为什么过冷度是液态金属凝固的驱动力？

等压条件下，体系自由能随温度升高而降低，且液态金属自由能随温度降低的趋势大于固态金属。

在熔点附近凝固时，热焓和熵值随温度的变化可忽略不计，则有相变驱动力：

过冷度△T＝T-Tm为金属凝固的驱动力，过冷度越大，凝固驱动力越大；金属不可能在T＝Tm时凝固。

11、为什么说异质形核比均质形核容易？

影响异质形核的基本因素和其他条件是什么？

（1）因为均质形核在其形核过程中为克服过程中的能障，所需要的过冷度是很大的，而实际金属凝固过程中的过冷度远小于此，所以较难发生；对异质形核而言，液态金属中存在一些微小的固相杂质质点，并且液态金属在凝固时还和型壁相接触，于是晶核就可以优先依附于这些现成的固体表面形核，因此形核所需的过冷度大大降低，所以异质形核比均质形核更容易。

12、界面共格对应原则的实质是什么？

增大固、液两相界面附着力，减小异质形核的形核功，使固相质点成为异质形核的有效衬底。

13、成分过冷的判据式（有过冷/无过冷）

无成分过冷判据式为：

有成分过冷判据式为：

14、成分过冷的本质是什么？

①成分过冷使实际过冷度降低，阻碍固液界面的推进。

②成分过冷使界面不稳定，不能保持平面生长。

③成分过冷阻止原有界面的生长，促进界面前方液相中形核。

15、共生生长具备的两个基本条件是什么？

①两相生长能力要相近，且析出相要容易在先析出相上形核和长大。

②A、B两组元在界面前沿的横向传输能保证两相等速生长的需要。

期末成绩=考试60％+平时40％

1、填空题15×1分=15分

2、名词解释题5×4分=20分

3、简答题5×5分=25分

4、计算与证明3×10分=30分

5、论述题1×10分=10分