材料形成理论作业标准答案（1）

材料形成理论作业标准答案（1）
液态金属得表面张力有那些影响因素？试总结它们得规律。

1）表面张力与原子间作用力的关系：
原子间结合力u0↑→表面内能↑→表面自由能↑→表面张力↑
2）表面张力与原子体积（δ3）成反比，与价电子数Z成正比
3）表面张力与温度：随温度升高而下降
4）合金元素或微量杂质元素对表面张力的影响
向系统中加入削弱原子间结合力的组元，会使u0减小，使表面内能和表面张力降低。

表面张力与界面张力有何异同点？界面张力与界面两侧质点间结合力得大小有何关系？
11）界面张力和界面自由能与表面张力和表面自由能相似。

表面张力与界面张力都是由于物体在表面或界面上的质点受力不平衡所引起的。

2）界面与表面的差别：1界面泛指两相之间的交界面；表面专指液体或固体与气体之间的界面，确切的说，是指液体或固体在真空下的表面。

2、接触的两相质点间结合力越大，界面张力（界面能）就越小，两相间的界面张力越小时，润湿角越小，称之为润湿性好。

试述液态金属充型能力与流动性间得联系与区别，并分析合金成分及结晶潜热对充型能力得影响规律。

1、联系：(1)液态金属的充型性能是一种基本的性能。

液态金属的充型能力好，零件的形状就完整，轮廓清晰；否则就会产生“浇不足”的缺陷。

液态金属的充型能力首先取决于液态金属本身的流动能力，同时又与外界条件密切相关，是各种因素的综合反映。

(2)液态金属本身的流动能力称为“流动性”，是由液态金属的成分、温度、杂质含量等决定的，而与外界因素无关。

因此流动性也可认为是确定条件下的充型能力。

(3)液态金属的流动性好，其充型能力强；反之，其充型能力差。

区别：液态金属本身的流动能力称为“流动性”，是由液态金属的成分、温度、杂质含量等决定的，而与外界因素无关；不过充型能力可以通过改变外界条件来提高。

2、1）对于纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金，放出的潜热越多，凝固过程进行的越慢，流动性越好，因此潜热的影响较大，对于宽结晶温度范围的合金潜热对流动性影响不大。

2）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，具有宽结晶温度范围的合金流动性不好；
某飞机制造厂得一牌号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？
1）在合金中加入表面活性元素或采用特殊涂料
2）预热铸型
3）增加金属液静压头
4）分析浇注系统，合理安排内浇道在铸件上的位置，选择恰当的浇注系统结构和各组元的断面积。

尽量简化浇注系统。

5）增加金属液静压头
6）选择正确的浇注位置
7）适当提高浇注温度
1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、T
L T G r r LC V LC ?=?==0**22σσ非均相等但334r V π=均()θπf r V 33
4=非()4cos cos 323θθθ+-=f ∴ 非均质生核所需体积小，即相起
伏时的原子数少。

三、2203*
316T L T G LC ??=?πσ均
()θf G G **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θ；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)。

2 根据固液界面微观结构可将晶体分成哪两类？这两类晶体的生长各有什么特点？
粗糙界面：生长后的晶体形貌：非多面体（也称非小晶面）
粗糙面的界面结构，许多位置均可作为原子向上堆砌的台阶，液相扩散来的原子容易被接纳与晶体连接起来。

由于前面讨论的热力学因素，生长过程中仍可维持粗糙面的界面结构。

只要原子沉积供应不成问题，可以不断地进行“连续长大”。

其生长方向为界面的法线方向，即垂直于界面生长。

生长特点：
—生长过冷度很小：—生长速度很快: ( —连续生长系数) 液相中的原子即可源源不断地沿台阶堆砌，使晶体侧向生长。

当台阶被完全填满后，又在新
的平整界面上形成新的二维台阶，如此继续下去，完成凝固过程生长特点：
—生长过冷度很大：—生长速度很慢
( —二维生长; b —常数) —生长后晶体形貌：多面体（也称小晶面）
1 在固相无扩散而液相仅有扩散凝固条件下，分析凝固速度变大(R 1→R2,且R2>R1)固相成分的变化情况，以及溶质富集层的变化情况。

随着凝固速度变大，固相溶质浓度逐渐增大，溶质富集层)11()(0 00x D R
L L e k k C x C --+=，溶质富集层变小。

2 论述成分过冷与热过冷的含义以及它们之间的区别与联系。

成分过冷的含义：合金在不平衡凝固时，使凝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，造成凝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。

热过冷的含义：界面液相侧形成的负温度梯度，使界面前方获的大于△Tk 的过冷度。

区别：热过冷液固界面前沿的液相具有正的温度梯度，液相中各微区的熔点和实际温度之间产生的并且与溶质浓度相关的过冷称为成分过冷。

k
T k 05.0~01.0=?k T R ??=1μ连1μk T ?连R 连R 2R k T ?K T k 2~1=?2μ
热过冷：纯金属实际开始结晶的温度总是低于理论结晶温度，这种现象称为过冷。

3何谓成分过冷的判据？成份过冷的大小受哪些因素的影响？液相中只有有限扩散时形成“成分过冷”的判据影响成分过冷的因素有温度梯度、结晶速度、相图上液相线的斜率、液相中溶质的扩散系数、平衡分配系数。

液相中温度梯度GL 越小，成份过冷越大；生长速度R 越大，成份过冷越大；液相线斜率mL 越大，成份过冷越大；合金原始成分C0越大，成份过冷越大；扩散系数DL 越小，成份过冷越大；分配系数K0越小，成份过冷越大。

4 成分过冷对晶体的生长方式有何影响？晶体生长方式只受成分过冷的影响吗？过冷对晶体的生长方式的影响：当稍有成分过冷时为胞状生长，随着成分过冷的增大，晶体由胞状晶变为柱状晶，柱状树枝晶和自由树枝晶，无成分过冷时，以平面方式或树枝晶方式生长。

晶体的生长方式除受成分过冷的影响外，还受到热过冷的影响。

6影响枝晶间距的主要因素是什么？枝晶间距与材料的力学性能有什么关系？
纯金属的枝茎间距决定于界面处结晶潜热的散失条件而一般单相合金与潜热的扩散和溶质元素在枝晶间的行为有关
枝晶间距越小，材质的质量越好，因为这样做可以减少枝晶偏析。

7 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。

8 什么叫做界面的不稳定性？它是什么原因引起的？
当界面处于平衡状态时，如果受到外界作用的影响，系统经过一个过渡过程仍然能够回到原来的平衡状态，说明界面是稳定的。

，否则界面是不稳定的。

原因：生长速率，成份过冷
9 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？
组成组织：表面细等轴晶区，中间柱状晶区，内部等轴晶区
表面细等轴的形成机理：非均质形核和大量游离晶粒提供了表面细等轴晶区的晶核，型壁附近产生较大过冷而大量生核，这些晶核迅速长大并且互相接触，从而形成无方向性的表面细等轴晶区。

中间柱状晶的形成机理：柱状晶主要从表面细等轴晶区形成并发
展而来，稳定的凝固壳0
00L )1(＜R G
K K D C m L L -?
层一旦形成处于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，便转而以枝晶状延伸生长。

由于择优生长，在逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。

内部等轴晶的形成是由于剩余熔体内部晶核自由生长的结果。

5.通常条件下，都尽可能使铸件获得细小的等轴晶组织，请问：
（1）细小的等轴晶组织对于减少凝固缺陷、提高力学性能有何重要意义？
（2）通过哪些实际措施可以使铸件获得细小的等轴晶组织？
答：
（1）细小的等轴晶组织可以使材料具有较高的强度和良好的塑性、韧性。

除此之外，如果合金的凝固组织是均匀细小的等轴晶，那么凝固过程中的杂质元素与溶质元素偏析的倾向都可以得到有效的抑制，从而可以减少由于偏析所产生的气孔、夹杂、热裂纹等凝固缺陷，并提高其化学成分、组织与力学性能的均匀性。

（2）获得细小的等轴晶组织的途径在于强化熔体独立生核，促进晶粒游离，具体有以下三个方面措施：
1）合理地控制浇注工艺和冷却条件
2）孕育处理
3）动力学细化
8.2 常用生核剂有哪些种类，其作用条件和机理如何？
常用的生核剂有以下几类：
1 直接作为外加晶核的生核剂
2 通过与液态金属中的某些元素形成较高熔点的稳定化合物
3 通过在液相中造成很大的微区富集而造成界竞相通过非均质形核而提高弥散析出的生核剂。

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细化相距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：生核剂中的元素与液态金属中的某元素形核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：强成份过冷生核剂通过生核率和晶粒数量，降低生长速度而使组织细化。