金属凝固原理试题文档格式.docx
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3、对一般金属而言，晶体长大速度与界面过冷度成（）关系。
①直线②指数③抛物线
A.①
B.②
C.③
A
4说明结晶与凝固的区别及凝固组织对铸坯质量和性能的影响。
结晶是一种原子排列短程有序，长程无序状态过渡到另一种原子排列状态长程有序的转变过程。
结晶是从物理化学观点出发，研究液态金属的生核，长大，结晶组织的形成规律。
凝固是物质聚集状态的变化，由液态转变为固态的过程，其中，固态也可以为晶态，也可以为非晶态。
凝固是从传热学观点出发，研究铸件和铸型的传热过程，铸件断面上凝固区域的变化规律，凝固方式与铸件质量的关系等。
凝固组织对铸坯的性能和质量有很大的影响，就宏观组织而言，表面细晶区一般比较薄，对铸件的质量和性能影响不大。
铸件的质量与性能主要取决与柱状晶区与等轴晶区的比例以及晶粒的大小。
柱状晶的力学性能有明显的方向性，纵向好，横向差，铸坯在凝固或冷却过程中容易沿晶界产生裂纹。
等轴晶的晶界面积较大，杂质和缺陷分布比较分散，且晶粒的晶体取向不同，故性能的方向性较小，比较稳定。
晶粒越细，其综合性能越好，且抗疲劳性能也越高。
所以通常情况下，希望获得细密的等轴晶组织。
5普通铸件中不可避免的存在着微观偏析和宏观偏析，试述如何减少或者消除这种偏析。
对于微观偏析，采用长时间的扩散退火，可以予以消除或减轻。
消除宏观偏析，可以采取的工艺措施有：
（1）保证合金成分，使凝固过程中液体的密度差别减到最小。
因为液体的密度差是促使液体流动的因素之一
（2）适当的铸件或铸锭高度，因为液体的静压头愈大，流动愈会加剧。
（3）加入孕育剂细化枝晶组织，使流动阻力增加，从而减小流动速度。
（4）在凝固开始阶段，用加速液体对流的办法，可以细化晶粒，但在凝固过程中，应该使液体的对流运动停止，如果自然对流速度较大，应该外加磁场使对流运动停止。
（5）加大冷却速度，缩短固液两相区的凝固时间。
6简述实际金属的液态结构。
存在着大量杂质原子，不会很均匀地分布。
游动集团之间存在着成分不均匀性，称为"
浓度起伏"
。
因此，实际金属和合金的液体结构中存在着两种起伏，一种是能量起伏，表现为各个原子间能量的不同和各个原子集团间尺寸的不同；
另一种是浓度起伏，表现为各个原子集团之间成分的不同。
原因：
1）工业多元合金2）原材料杂质3）熔化过程中金属与炉气、熔剂，炉衬的相互作用还会吸收气体带进杂质，甚至带入许多固、液体质点。
实际金属在微观上是由成分和结构不同的游动原子集团、空穴和许多固态、气态或液态的化合物组成，它是一种"
混浊"
的液体；
而从化学键上看，除了基体金属与其合金元素组成的金属键之外，还存在其它多种类型的化学键。
7简述亚共晶和过共晶铝硅合金的流动性。
在相同的过热度下Al-Si合金的流动性，在共晶成分处并非最大值，而在过共晶区里继续增加。
原因初生β相潜热大。
和亚共晶合金对比，析出相同数量的固相量时，过共晶合金具有较高的实际过热度。
8简述细化枝晶间距。
枝晶间距越小，组织就越细密，分布于其间的元素偏析范围也就越小，故铸件越容易通过热处理而均匀化；
这时的显微缩松和非金属夹杂物也更加细小分散，因而也就越有利于性能的提高。
9简述夹杂物的分布。
1）能作为金属非自发结晶核心的非金属夹杂物分布在晶内。
2）能上浮到铸件表面的夹杂物、不溶解于金属液中的液态夹杂物及固态夹杂物在金属液中运动、碰撞、聚合，尺寸不断加大。
若夹杂物的密度小于金属液的密度，可能集中到冒口中被排除，或保留在铸件上部、上表面层和铸件的拐角处。
处在金属凝固区内的高熔点固态微小夹杂物，可能被枝晶粘附，分布于晶内；
否则分布于晶界。
10减少和消除铸造应力有哪些方法？
减少：
1合金方面，选择弹性模量和收缩系数小的合金材料2铸型方面，尽量使铸件在冷却过程中温度分布均匀3浇铸条件，内浇口和冒口的位置应有利于铸件各部分温度的均匀分布4改进铸件结构，避免产生较大的应力和应力集中。
消除：
1人工时效，去除残余应力的热处理温度和保温时间应根据合金的性质铸件的结构以及冷却条件不同而做不同的规定2自然时效，将具有残余应力的铸件至于露天场地经数月至半年以上自然消除应力3共振时效，调整震动频率使铸件在震动过程中交变应力和残余应力叠加，使应力消失。
11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。
12带状偏析
它总是和凝固的固-液界面相平行。
13负吸附
当表面张力随溶液浓度升高而增加时，表面吸附量为负值，即为负吸附。
14析出性气孔
金属液在凝固过程中，因气体溶解度下降而析出气体，形成气泡未能排除而产生的气孔。
15近程有序排列
金属液体则由许多原子集团所组成，在原子集团内保持固体的排列特征，而在原子集团之间的结合处则受到很大破坏。
这种仅在原子集团内的有序排列称为近程有序排列。
[判断题]
16、格拉晓夫准则数大表明液态合金的对流强度较小。
错
17、金属熔体的黏度与金属的熔点相类似，本质都是反映质点间（原子间）结合力大小。
对
18、铸型具有一定的发气能力，会导致型腔气体反压增大，充型能力下降。
19、处理温度越高，孕育衰退越快。
因此在保证孕育剂均匀溶解的前提下，应尽量降低处理温度。
20非均质形核
指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形核的过程
21共生生长
指两相彼此合作地一起向前生长，是共生共晶的生长过程，形成了两相相互交迭、紧密掺和的共晶体。
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22晕圈
指在共晶结晶过程中，第二相环绕领先相生长而形成的外围层。
23热过冷
指仅由熔体实际温度分布所决定的过冷状态。
24何为凝固动态曲线？
有何意义？
根据凝固体断面各位置的温度与时间的关系曲线在位置与时间的坐标图上绘制出典型温度的连线称为凝固动态曲线。
意义：
根据凝固动态曲线可以判断出铸件在凝固时不同时间的凝固区宽窄，而金属凝固区的宽展决定了凝固体的凝固方式。
25简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kT的过冷度。
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，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。
26简述析出性气孔的防止措施。
①消除气体来源②金属熔断时，应严格控制熔断温度③对液态金属进行除气处理④防止液态金属内气体的析出。
27某二元合金相图如下所示。
合金液成分为CB=40%，置于长瓷舟中并从左端开始凝固。
温度梯度大到足以使固-液界面保持平面生长。
假设固相无扩散，液
相均匀混合。
试求：
平衡分配系数KO的求解：
由于液相线及固相线均为直线不同温度和浓度下KO为定值，所以：
当T=500℃时，α相与液相之间的平衡分配系数KO28单晶体
在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体
29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。
30形核相变的驱动力有哪些？
固液相体积自由能差；
阻力：
界面能。
31简述界面共格对应原则。
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）
32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（），因此界面很不稳定。
增大
33简述平面生长→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）
34简述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。
35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。
36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。
37定向凝固技术最重要的工艺参数是液相中的温度梯度GL，试述如何获得较高的GL？
所以凝固速率一定时，GL和GS成正比，可以通过增大GS来增大固相散热强度，从而获得大
的GL。
但是同时，也会使凝固速率R增大，因此，常常采用提高固液界面前沿熔体的温度来获得较大的GL。
38如何从液态金属的结构特点解释自发形核的机制。
晶体熔化后的液态结构是长程无序，而短程内却存在不稳定的、接近有序的原子集团。
由于液态中原子运动较为强烈，在其平衡位置停留时间甚短，故这种局部有序排列的原子集团此消彼长，即结构起伏和相起伏。
当温度降到熔点以下，在液相中时聚时散的短程有序原子集团，就可能成为均匀形核的晶胚，从而进行均匀形核。
39试述细化铸件凝固组织的途径及其对获得优质铸件的意义。
一、细化铸件凝固组织的途径：
1、增加过冷度增加过冷度，形核率迅速增大，且比晶体长大速率更快，因此，在一般凝固条件下，增加过冷度可使凝固后的晶粒细化；
2、添加形核剂由于实际的凝固都是非均匀形核，为了提高形核率，可在熔液凝固之前加入能作为非均匀形核基底的人工形核剂，且基底对非均匀形核的促进作用随接触角的减小而增大。
3、振促进形核振动可使枝晶破碎，这些碎片又可作为结晶核心，使形核增值。
二、细化晶粒对获得优质铸件的意义材料的晶粒大小对材料的性能有重要影响，铸件的强度、硬度、塑性和韧性都随着晶粒细化而提高。
40讨论两类固-液界面结构（粗糙面和光滑面）形成的本质及其判据。
（1）界面的平衡结构应当是界面能最低的结构，不同的界面结构取决于材料的种类和晶体在液相中生长系统的热力学性质。
界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子所占满，只留下少数的空位和台阶，从而形成整体上平整光滑的界面结构，光滑界面又称小晶面、小平面；
界面固相一侧的点阵位置只有约50%被固相原子所占据，形成凸凹不平的界面结构，即粗糙界面，粗糙界面又称非小晶面、非小平面。
（2）粗糙界面和光滑界面的判据：
当在光滑界面上任意添加原子时，其界面自由能的变化GS可表示为：
固液界面类型与界面取向有关。
41比较同样体积大小的球状、块状、板状及杆状铸件凝固时间的长短。
42在砂型中浇铸尺寸为300×
300×
20的纯铝板。
设铸型的初始温度为20℃，浇铸后瞬间铸件-铸型界面温度立即升至纯铝熔点660℃，且在铸件凝固期间保持不变。
浇铸温度670℃，金属与铸型材料热物性参数见表：
分别用“平方根定律”及“折算厚度法则”计算铸件完全凝固时间并分析差别。
43在砂型中浇铸尺寸为300×
根据平方根定律计算不同时刻铸件凝固层厚度
44凝固时间“平方根定律”与“折算厚度法则”有何区别？
二者的形式一样，但意义却不一样。
“平方根定律”揭示了凝固过程的基本规律，是计算凝固时间的基本公式，该公式对大平板、球体和长圆柱体比较精确，对短而粗的杆和矩形，由于边角效应的影响，计算结果偏大；
“折算厚度法则”考虑了铸件形状影响因素，接近实际，是对平方根定律的修正。
45凝固方式分为几种？
对铸件质量有何影响？
分为三种，分别为逐层凝固方式、体积凝固方式和中间凝固方式。
（1）逐层凝固方式。
流动性好，容易获得健全的凝固体，液体补缩性好，凝固体组织致密，形成集中缩孔的倾向大，热裂倾向小。
气孔倾向小，应力大，宏观偏析严重；
（2）体积凝固方式。
流动性不好，不容易获得健全的凝固体，液体补缩性不好，凝固体的组织不致密，形成集中缩孔的倾向小，热裂倾向大。
气孔倾向大，应力小，宏观偏析不严重；
（3）中间凝固方式。
铸件质量介于两者之间。
46影响铸件凝固方式的因素有哪些？
（1）金属本身的凝固特点。
如凝固的温度范围；
（2）外界条件。
如凝固时的温度梯度。
47凝固速度对凝固组织、性能与凝固缺陷的产生有重要影响。
试分析通过那些工艺措施来改变或控制凝固速度？
（1）采用不同的浇铸方式；
（2）改变铸型的保温性能；
（3）改变金属液的合金成分；
（4）控制浇铸温度和速度。
48什么是成分过冷判据？
49何谓结晶过程中的溶质再分配？
平衡分配系数KO定义？
溶质再分配：
固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相的不同，这种结晶出的晶体与母相化学成分不同，因此在结晶时，溶质原子必然要在液相和固相之间重新分配，这种重新分配的过程叫做结晶过程的溶质再分配。
衡分配系数KO定义为：
在一定温度下，固液两平衡相中的溶质浓度之比值，即
50解释临界晶核半径r*和形核功△G*的意义，以及为什么形核要有一定过冷度？
*
临界晶核半径r是晶胚能够成为稳定晶核的最小尺寸，当晶胚尺寸r＜r时，此时该晶胚不能形成稳定的晶核，当r=r时，晶胚即可能消失，也
*可能长大成为稳定的晶核，当r＞r时，此时晶胚可以自发地长成稳定的晶核。
临界形核功G表示当晶胚尺寸r=r时，形核过程中的自由能的变化，此时
零，则必须依靠晶核周围液体对其做功。
金属结晶形核过程
正值，为了使总的自由能变化为
51假设凝固时的临界晶核为立方体形状，求临界形核功。
分析在同样过冷度下均匀形核时，球形晶核和立方晶核哪一个更容易生成？
52液态金属凝固时需要过冷，那么固态金属熔化时是否需要过热？
为什么？
需要。
固态金属熔化为液态金属时，要求固相自由能大于液相自由能（GS＞GL），53在液态金属中，凡是涌现出的小于临界晶核半径的晶肧都不能成核。
但如果有足够的能量起伏，是否可以成核？
不可以成核。
因为任何一个晶核都是相起伏和能量起伏的共同产物，当任何一项不能满足特定的条件时，液态金属中的晶胚都不能形成稳定的晶核，而是瞬间形成，瞬间消失。
当晶胚尺寸半径小于临界形核半径时，此时的相起伏不能满足形核的热力学条件，因此即使能量起伏足够大，该晶胚也不能成为稳定的晶核。
*54证明在相同的过冷度下均质形核时，体积相同的球形晶核与立方形晶核哪种更易形成。
试导出平衡凝固及液相完全混合条件下TL与fL的关系。
33
证明，设球形半径为r1，立方形变长为r2，则4πr1/3=r2.
3
2
对于球形：
过冷液中出现一个晶胚时，总的自由能变化为ΔG=（4πr1ΔGV/3）+4πr1/σ。
临界晶核的半径为r1/，由dΔG/dr=0求得：
r1/=-
2σ/ΔGv=2σTm/LmΔT，则临界形核的功
55试分析表面张力和界面张力形成的物理原因及其与物质原子间结合力的关系。
1、表面张力液体内部的分子和分子间几乎是紧挨着的，分子间经常保持平衡距离，稍远一些就相吸，稍近一些就相斥。
但液面上层气体分子间距相对来说超大，它对液面液体分子不存在斥力，这就导致一些液体表面上有些不规则运动的液体分子冲破液体分子之间的引力，变成水蒸气，这样液面就会变得分子稀薄，数目一少，分子间距就大了，这些液面分子之间的引力就占主导，即所谓的液体表面张力，方向沿表面。
向系统中加入异类原子能削弱系统原子间的结合能，结果导致表面能降低；
一定温度下，原子间的结合力越大，表面内能越大，表面自由能越高；
表面能还与晶面有关，晶面为密排面时表面内能小。
总之，原子间的结合力大的物质，其熔点和沸点越高，其表面张力也越大。
2、界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两相质点间的结合力的大小成反比。
取两个球体：
A、B。
为形成一个A-B界面：
将
A、B分割为两个半
2球，断面积为1cm，所需要的功为
WAA、WBB，将两个A-B结合体分开所作的功为2WAB，而使它们再结合到一起所作的功为-2WAB，因此，产生两个A-B界面所作的功为：
W=WAA+WBB-2WAB，因：
WAA=2γA；
WBB=2γB，则：
γAB=γA+γB-WAB说明为使
A.B结合体分离作功越大（WAB越大），界面能就越小，即两相的结合力越大，界面张力就越小，反之界面能（张力）越大。
56在长大速度一定的条件下，温度梯度GL是否影响规则共晶的片层间距？
原因何在？
影响。
因为温度梯度影响界面前沿的成分过冷。
随着温度梯度的减小，界面前沿成分过冷增加，共晶生长界面容易失稳。
当有较小的成分过冷区时，平面生长就被破坏，界面某些地方的凸起进一步凸向液体，但因成分过冷区小，凸起部分不可能有较大伸展，于是形成胞状组织；
当成分过冷区很大时，凸起部分就继续向过冷相中生长，同时在侧面产生分枝，形成二次轴，在二次轴上再长出三次轴，于是形成树枝状组织。
成分过冷更大时，可能导致共晶体在胞状晶或树枝晶尖端前沿液相内大量形核，从而转变为等轴晶。
57用相变热力学分析为何形核一定要在过冷的条件下进行。
58证明在相同的过冷度下均质形核时，球形晶核与立方形晶核哪种更易形成。
对于球形晶核：
过冷液中出现一个晶胚时，总的自由能变化为ΔG=（4πrΔGV/3）+4πrσ。
临界晶核的半径为r，由dΔG/dr=0求得：
r=-
32
2σ/ΔGV=2σTm/LmΔT，则临界形核的功及形核功为：
ΔG球=16πσ/3ΔGv=16πσTm/3（LmΔT）.
对于立方形晶核：
同理推得临界半径形r=-4σ/ΔGv，形核功ΔG方=32σ/ΔGv。
则ΔG球<
ΔG方，所以在相同的过冷度下均质形核时，球形晶核比
立方形晶核更容易。
59在曲率为零时，纯镍的平衡熔点为1723K，假设镍的球形试样半径是1cm，1μm、0.01μm，其熔点温度各为多少？
72
已知△H=18058J/mol，Vm=606cm/mol，σ=255×
10J/cm
60、固液界面前沿液相的流动会影响柱状树枝晶的生长方向，那么柱状树枝晶通常向液体流动方向的（）方向倾斜。
①相同②相反③垂直
B
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