超详细铸件形成理论重要知识点.

铸件形成理论告急知识点
第一章液态金属得结构与性子
1.金属得加热膨胀：
原子间隔断将随温度得升髙而增长，即产生热膨胀：由于能量升沉，一些原子就
大概越过势垒跑到原子之间得间隙中或金属外表，原子脱离点阵后，留下了自由点阵一
空穴
原子间距增大，空穴得产生为物体膨胀得缘故起因之一；2.金属得熔化：把金属加热；
到熔点四周时，离位原子数大为增长；在外力得作用下，这些原子作定向运动，造成晶
粒间得相对运动，称为品界粘滞运动：晶粒内部，也有相当数量得原子重复跳跃、离
位，空穴数大为增长：靠近熔点时，晶界上得原子就大概脱离原晶粒外表，向相近晶粒
跳跃，晶粒徐徐失去牢固形状：
3. 理想金属得液态结构特点
金属熔化后，以及在熔点以上不髙得温度领域内，液体状态得结构有以下特点：
1、原子分列在较小隔断内仍具有肯定规律性，且其匀称原子间距增长不大：
2、金属液体由许多原子团体所组成，在原子团体内保持固体得分列特性，而在
原子团体之间得团结处就受到很大破坏(近程有序分列) ：
3、原子团体存在能量升沉与结构升沉：
4、原子团体间距较大，比较疏松，犹如存在
空穴：5、原子团体得匀称尺寸、游动速率都与温度有关，温度越髙，就原子团体得匀
称尺寸越小，游动速率越快：
归纳综合起去
:靠近熔点得液态金属由许多游动得原子团体与空穴组成，原子
团体中原子呈规就分列，结构与原固体相似，但存在能量升沉与结构升沉：
4、实际金属得液态结构
实际液态金属在微观上为由存在能星升沉、结构升沉与因素升沉得游动原
子团体、空穴与许多固态、气态或液态得化合物组成得污浊液体：从化学键上看，除了
基体金属与其合金元素组成得金属键之外，仍存在其他多种典范得化学键：
(1)温度：温度不太髙时，T升髙，n值降落：温度很髙时，T升髙，n值升髙:
(2)化学因素：外表活性元素使液体粘度低沉，非外表活性杂质得存在使粘度提髙：(3)非金属殽杂物：非金属殽杂物使粘度增长：
6.粘度对铸坯质星得影响
（1＞对液态金属运动状态得影响：粘度对铸件外表得淸晰水平有影响，为降低液体得粘度应恰当进步过热度大概到场外表活性物质等：
（2）对液态金属对流得影响：运动粘度越大，对流强度越小：铸坯得宏观偏
析紧张受对流得影响：
（3）对液态金属净化得影响：粘度越大，般杂物上浮速率越小，越容易滞留
在铸坯中形成殽杂、气孔：
7.影响外表张力得闲素
1 ）熔点：髙熔点得物质，其原子间结协力大，其外表张力也大：
2）温度：大多数金属与合金，温度升髙，外表张力低沉：
3）溶质：体系中到场削弱原子间结协力得组元，会使外表内能与外表张力低沉：
8.外表张力对铸坯质量得影响
1）界曲张力与润湿角：液态金属凝固时析出得固相与液相得界面能越小，
形核率越卨；液态杂质与金属晶体之间得润湿性将影响杂质形态：
2）外表张力引起得附加压力：附加压力进步金属液中气体析出得阻力，易产生气孔：影响金属液与铸型得相互作用：附加压力为正值时（不润湿），铸坯外表平滑，但充型本事较差，必须附加一个静压头：附加压力为负值时（润湿），金属液能很好地充满铸型型腔，但为容易与铸型粘结（粘砂），拦阻收缩，以致产生裂纹：
9.看法
能量升沉：金属晶体结构中每个原子得振动能量不为均等得，一些原子得能鼠髙出原子得匀称能量，有些原子得能量就远小于匀称能量，这种能量得不匀称性称为能量升沉”结构升沉：液态金属中得原子团体处于瞬息万变得状态，时而长大时而变小，时而产生时而消散，此起彼落，犹如在不绝顿地游动：这种结构得瞬息厘革称
为结构升沉：
近程有序分列：金属液体就由许多原子团体所组成，在原子团体内保持牢固得
分列特性，而在原子团体之间得团结处就受到很大破坏：
浓度升沉：差异原子间结协力存在差异，在金属液原子团簇之间存在着因素差
异：这种因素得不匀称性称为浓度升沉：
粘滞性：在流体力学中有两个看法，一个为动力粘度，另一个为运动粘度：
外表张力：液态金属外表层得质点受到一个指向液体内部得力，物体倾向于减小其外表积，这相当于在液态金属外表有一个平行于外表且各向巨细相当得张力，这个张力就为
外表张力：
10.充型本事与运动性得接洽与区別：
充型本事：液态金属充满铸型型腔，得到形状完备、外表淸晰得铸件得本事：即液态金属充填铸型得本事：
运动性：液态金属本身运动得本事：运动性与金属得因素、温度、杂质含量及
其物理性子有关：
充型本事与运动性得干系：充型本事为外因（铸型性子、浇注条件、铸件结构）
与内因（运动性）得共同效果：外因肯定时，运动性就为充型本事：充型本事弱，就大概产生浇缺乏、冷隔、砂眼、铁豆、抬箱，以及卷入性
气孔、夹砂等缺陷：
11.液态金属得克制运动机理
纯金属、共晶合金、窄结品温度领域合金：型壁处凝固结壳，柱状品相打仗,
通道中心归并，运动克制：
合金得结晶温度领域越宽，枝晶就越旺盛，液流前端出现较少得固相量，通道
壅闭，亦即在相对较短得时间内，液态金属便克制运动：
纯金属、共晶合金或窄结品温度领域合金有良好得运动性，低沉了凝固成形中
冷隔、热裂、缩松等缺陷得产生：反之，宽结晶温度领域合金由于运动性差，通常会有较多得缺陷产生：
12.影响液态金属充型本事因素与进步步调：
影响充型本事得因素为通过两个途径产生作用得：影响金属与铸型之间热交换条件，而改变金属液得运动时间：影响金属液在铸型中得水力学条件，而
改变金属液得流速：
〔一）金属性子方而得因素这类因素为内因，决定了金属本身得运动本事一一运动性：铸型阻力影响
金属液得充填速率：铸型与金属得热交换条件影响金属液保持运动得时间：
1、合金因素
合金得运动性与化学因素之间存在着肯定得规律性：在运动性曲线上，对应着纯金属、共晶因素与金属间化合物得地方出现最大值，而有结晶温度领域得地方运动性降落，且在最大结晶温度领域四周出现最小值：合金因素对运动性得影响，紧张为因素差异时，合金得结晶特点差异造成得：
低沉合金熔点得元素容易进步金属过热度，从而进步合金运动时间，进步
运动性：合金净化后运动性进步，合金因素中凡能形成髙熔点般杂物得元素均
会低沉合金得运动性：
2、结晶潜热
结晶潜热越髙，凝固举行得越痴钝，运动性越好：
3、金属得比热容、密度与导热系数
金属得比热容、密度较大得合金，运动性好：导热系数小得合金，热量散
失慢，保持运动时间长；金属中到场合金元素后，一样寻常会低沉导热系数：
4、液态金属得粘度
合金液得粘度，在充型进程前期（属紊流）对运动性得影响较小，而在充
型进程后期凝固中（属层流）对运动性影响较大：
5、外表张力
外表张力影响金属液与铸型得相互作用：外表张力对薄壁铸件、铸件得细薄局部与棱角得成形有影响，型腔越细薄、棱角得曲率半径越小，外表张力得
影响越大：为降服由外表张力引起得附加压力，必须附加一个静压头：综上所述，为了进步液态金属得充型本事，在金属方面可采取以下步调：
1、准确选择合金得因素
选用结晶温度领域小得舍牵: ，也有利于进步充型本事：
2、公正得熔炼工艺
选择洁净得原质料：镌汰与有害气体得打仗：充实脱氧粘炼去气，镌汰气
体、殽杂：髙温出炉，低温浇注：
【二）铸型性子方面
1、铸型得蓄热系数：铸型得蓄热系数越大，充型本事降落：
2、铸型温度：预热铸型
3、铸型中得气体：减小铸型中气体反压力
【三）浇注条件方面
1、浇注温度
浇注温度越髙，充型本事强：但髙出某一温度界限，氧化吸气严肃，充型
本事进步不显着：
2、充型压头
液态金属在运动方向上所受得压力称为充型压力：充型压力越大，充型能
力越强：
3、浇注体系得结构
浇注体系得结构越巨大，就运动阻力越大，充型本事越差：
〔四）铸件结构方面
衡量铸件结构特点得因素为铸件得折算厚度与巨大水平：
1、折算厚度：
折算厚度也叫当星厚度或模数，为铸件体积与铸件外表积之比：折算厚度越大，热星散失越慢，充型本事就越好：铸件壁厚类似时，垂直壁比水平壁更容
易充填：大平而铸件不易成形：对薄壁铸件应准确选择浇注位罝：
2、巨大水平：
铸件结构越巨大，厚薄局部过渡曲多.就型腔结构巨大，运动阻力就越大.铸型得
充填就越阐难：
1、逐层凝固（纯金属或共晶因素合金得凝固要领）
恒温下结晶得金属，在凝固进程中其铸件断而上得凝固地域宽度即为零，断而上得固体与液体由一条界限淸晰地脱离，随着温度得降落，固体层不绝加厚，徐徐到达铸件中心，此为"逐层凝固要领” :
逐层凝固要领特点：
无凝固区或凝固区很窄 a ）恒温下结晶得纯金属或共晶因素合金b）结晶温
度领域很窄或断面温度梯度很大
2、体积凝固（铸件断|M温度场较平展或结晶领域较宽得合金）
假设合金得结晶温度领域很宽，或闲铸件断面温度场较平展，铸件凝固得
某一段时间内，其凝固地域很宽，以致贯穿整个铸件断而，而外表温度髙于固相温度，这种情况为"体积凝固要领"，或称为”糊状凝固要领":
体积凝固要领（糊状凝固要领）特点：
凝固动态曲线上得两相界限得纵向间距很小或为无条件重合：
a、铸件断而温度平展
b、结晶温度领域很宽一凝固动态曲线上得两相界限纵
向间距很大
3、中心凝固（结晶领域较窄或铸件断而温度梯度较大得合金）
假设合金得结晶领域较窄，或因铸件断而得温度梯度较大，铸件断面上得凝固地域
介于前两者之间时，属于"中心凝固要领" :
中心凝固要领特点：
a、结晶温度领域较窄
b、铸件断面得温度梯度较大
特点：凝固初期似逐层凝固——凝固动态曲线上得两相界限纵向距较小凝固
后期似糊状凝固
第二章凝固温度场〔重点）
1.研究铸件温度场得要领：数学分析法、数值模拟法与实测法等：
2.凝固：合金从液态转变成固态得进程，称为一次结晶或凝固：
3.研究温度场自得义：埤轳铸件温度场随时间得厘革，可以大概预计铸件凝固中其断面上各个时间得凝固地域巨细及厘學:，凝固前沿向中心得推进速率.缩孔与缩松得位罝，凝固时间等告急标题，为准确方案浇注体系、设罝冒口、冷铁，以及采取其他工艺步调提供可靠依据，敷衍消除铸造缺陷，得到健全铸件，改良铸件结构与性能有告急意义：
4.凝固要领及其影响因素
一样寻常将金属得凝固要领分为三种典范：逐层凝固要领、体积凝固要领（
或称
糊状凝固要领）与中心凝固要领：
在凝固进程中铸件断曲_上得凝固地域宽度为零，固体与液体由一条界限（凝固前沿）淸晰地脱离：随着温度得降落，固体层不绝加厚，徐徐到达铸件中心：这种情况为逐层凝固要领：铸件凝固得某一段时间内，其凝固地域险些贯穿整个铸件断面时，就在凝岡地域里既有己结晶得晶体，也有未凝固得液体，这种情况为体积凝固要领或称糊状凝固要领：铸件断而上得凝固地域宽度介于前两者之间时，称中心凝固要领：
领域与冷却强度（温度梯度）：结晶温度领域越宽，温度梯度越小，越倾向于体积凝固要领：
5.金属凝固要领与铸件质量得干系
逐层要领凝固，凝固前沿直接与液态金属打仗：当液态凝固成为固体而产生体积紧缩时，可以不绝地得到液体得增补，以为产陌生散性缩松得倾向性很小，而为在铸件末了凝固得部位留下会集缩孔：由于会集缩孔容易消除，一样寻常以为
这类合金得补缩性良好：在板状或棒状铸件会出现中心线缩孔：这类铸件在凝固进程中，当紧缩受阻而产生晶间裂纹时，也容易得到金属液得添补，使裂纹愈合：
当粗大得等轴枝晶相互毗连以后（固相约为70%）,将使凝固得液态金属支解为一个个互不类似得溶池，末了在铸件中形身疏散性得缩孔，即缩松：敷衍这类铸件采取平常冒口消除其缩松为很难过，而通常须要采取别得资助步调，以增加铸件得致密性：由于粗
大得等轴晶比较¥得连成骨架，在铸件中产生热裂得倾向性很大：这为由于，等轴晶越粗大，髙温强度就越低：别恰当晶间出现裂纹时，也得不到液态金属得充填使之愈合：假设这类合金在充填进程中产生凝固时，其充型性能也很差：
6.铸件得凝固时间得盘算要领：
分析法：分析要领为直策应用现有得数学理论与定律去推导与演绎数学方程（或模子），得到用函数情势表达得解，也就为分析解：
数值要领：数值要领又叫数值阐发法，为用盘算机步调去求解数学模子得近似解，又称为数值模拟或盘算机模拟：紧张有差分法、有限元法：履历盘算法：平方根定律盘算法与折算厚度法（或模数法）：
第三章晶体形核与生长〔重点）
1.液态金属结晶（液•固相变）驱动力：两相自由能得差值AG为结晶得驱动力：
T I AT
AG V =L（1-~）=—，敷衍给定金属，L与To均为定值，ZkGv仅与AT有关: 因此，液态金属结晶得驱动力为由过冷度提供得：过冷度越大，结品得驱动力也就越大，过冷度为零时，驱动力就不复存在：以为液态金属在没有过冷度得
情况下不会结晶：
2.液态金属结晶进程：起首，体系通过升沉作用在某些微观小地域内降服能量停滞而形成稳固得新相品核：新相一旦形成，体系内将出现自由能较髙得新旧两相之间得过渡区：力使体系ft由能尽大概地低沉，过渡区必须减薄到最小原子尺度，如许就形成了新旧两相得界而：然后，依靠界Iftl徐徐向液相内推移而使晶核长大：直到全部得液态金属都全部转变成金属晶体，整个结晶进程也就在出现最少量得中心过渡结构中完成：由此可见，为了降服能量停滞以防范系统自由能太过増大，液态金属得结晶进程为通过形核与生长得要领举行得：
3.形核：亚稳固得液态金属通过升沉作用在某些微观小地域内形成稳固存在得晶态小质点得进程称为形核：
形核条件：起首，体系必须处于亚稳态以提供相变驱动力：其次，须要通过起
伏作用降服能障才华形成稳固存在得晶核并确保其进一步生长：由于新相与界而相伴而生，因此界面向由能这一热力学能障就成为形核进程中得紧张阻力：根据组成能障得界面情况得差异，大概出现两种差异得形核要领：均质生核与非均质生核：
均质生核：在没有任何外去界而得匀称熔体中得生核进程：非均质生核：在不
匀称熔体中依靠外去杂质或型壁界而提供得衬底举行生核得进程：
4.均质生核机制必须具备以下条件：
1）过冷液体中存在相升沉，以提供固相晶核得晶胚：
2）生核导致体积自由能低沉，界側自由能进步：为此，晶胚须要体积达到肯定尺寸才华稳固存在：
3）过冷液体中存在能量升沉与温度升沉，以提供临界生核功：
4）为维持生核功，须要肯定得过冷度：
5.临界晶核半径而言，非均质形核临界半径r/与均质形核临界半径r ‘得表达式完全
类似：非均质生核得临界形核功AGh与均质生核得临界形核功△供之间也仪相差一
个因子f（ 0）：0°< 0< 180° X） < f（ 0） < 1,故V s <V 球，△‘< AG 均*.因而衬底
都具有促进形核得作用，非均质生核比均质生核更容易举行；
6.生核剂：一种好得生核剂起首应能包管结晶相在衬底物质上形成尽大概小得润湿角0，
其次生核剂仍应该在液态金属中尽大概地保持稳固，并且具有最大得外表积与准确得外
表特性：
7.晶体得生长紧张受以下几个相相互关得进程所制约：
①界面生长动力学进程：② 传热进程：③传质进程：
8.固一液界而得微观结构
从微观尺度思量，固一液界面可分别为粗糙界而与平整界面，或非小平面界面及小
平面界面:
粗糙界而（非小平而界面）：界面固相一侧得几个原子层点阵位罝只有50%
左右为固相原子所占据：这几个原子层得粗糙区实际上就为液固之间得过渡区：平整界
而（小平而界衡）:界而固相一侧得点阵险些全部被固相原子占据，只留下少数空位：
或在充满固相原子得界而上存在少数不稳固得、孤独得固相原子，从而从团体上看为平
整平滑得：
敷衍差异得a值，对应差异得界面微观结构，称为Jackson判据：当a沒时，界
而得平衡结构应有50%左右得点阵位罝为固相原子所占据. 因此粗糙界而为稳固得：当a >2时，界而得平衡结构或为只有少数点阵位罝被占据，或为绝大局部
位罝被占据后而仪留下少量空位：因此，这时平整界而为稳固得：a越大，界曲_ 越平整：绝大多数金属得熔化熵均小于2,在其结晶进程中，固一液界曲为粗糙界而：多数
非金属与化合物得a值大于2.这类物质结晶时，其固一液界面为由基本完备得晶断所组
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成得平整界而：铋、铟、锗、硅等亚金属得情况就介于两者之间，这类物质结晶时，其
固一液界而通常具有殽杂结构：
9.界面得生长机理与生长速率
1、连续生长机制一粗糙界面得生长：较髙得生长速率：
2、二维生核生长机制一完备平整界而得生长：生长速率也比连续生长低：
3、从缺陷处生长机制一非完备界面得生长：（1）螺旋位错生长：（2）旋转孪晶
生长：反射孪晶生长：生长速率比二维形核生长快，仍比连续生长慢：
第四章单相合金凝固
1.溶质再分配与平衡分配系数
单相合金得结晶进程一样寻常为在一个固液两相共存得温度区间内完成得 ;在
区间内得任一点，共存两相都具有差异得因素：因此结品进程肯定要导致界而• • • • * • ■■■■ • ••會■ • • • ■ • ■■■—• • ■ ■■ 一•M •_•_■ • •屬
故晶体生长与传质进程肯定相伴而生：如许，从生核开始直到凝固竣事，在整
个结晶进程中，固、液两相内部将不绝举行着溶质元素重新漫衍得进程：称此
为合金结晶进程中溶质再分配：
衡固相中溶质浓度与平衡液相溶质浓度得比值称为平衡分配系数：
2.平衡结品中得溶质再分配规律：
Cfjk。

L ko+f:（1-k o）
3.固相无扩散，液相匀称殽杂一Scheil公式
C;=k0C0（1-f s广C L
= Co fi.1^
4.固相无扩散，液相只有有限扩散：
初期过渡阶段：在结晶初期，生长得效果导致溶质原子在界而前沿进一步富集：溶质得富集低沉了界向处得液相线温度，只有温度进一步低沉时界曲'才能继续生长：这一时期得结晶特点为：随着固液界面向前推进，固、液两相平衡浓度C.s与C\连续上升，界面温度不绝降落：
稳固生长阶段：界而上倾轧得溶质量与扩散走得溶质星相当，晶体便进入
「1-k
稳固生长阶段：Cs*=Co,界眼火线C L( x)=C0 |1 + —-^e Dl :
I k。

后过渡阶段：到生长相近竣事，富集得溶质会集在剰余液相中无法向外扩散，于为界而前沿溶质富集又进一步加剧，界而处固、液两相得平衡浓度复又进一步上升，形成了晶体生长得末了过渡阶段：
5.液相中局部殽杂(有对流作用)
热过冷与因素过冷
仅由熔表达实温度漫衍所决定得过冷状态称为热过冷：由溶质再分配泞致
界眼火线熔体因素及其凝固温度产生厘革而引起得过冷称为因素过冷：
因素过冷判据：<-mCo(卜
R D L k0
15.固液界而前沿金属液过冷状态对结晶进程得影响
1、热过冷对结晶进程得影响
(1)界眼火线无热过冷下得平面生长：界而能最低得宏观平展得界而形态为稳固得：界面上偶尔产生得任何突起必将伸入过热熔体中而被熔化，界向最终仍保持其平展状态：这种界而生长要领称为平而生长：生长中，每个晶体逆着热流平行向内伸展成一个个柱状晶：
(2)热过冷作用下得枝晶生长：界眼火线存在着一个大得热过冷区：宏观平坦得
界而形态为不稳固得；一旦界而上偶尔产生一个凸起，它必将与过冷度更大得熔体打仗而很快地向宿世长，形成一个伸向熔体得主杆：主杆侧而析出得
结晶潜热使温度升髙，远处仍为过冷熔体，也会使侧而而临新得热过冷，从而生长出二次分枝：同样，在二次分枝上仍大概生长出三次分枝，从而形成树枝
晶：这种界而生长要领称为枝晶生长：假设G L <0得情况产生于单向生长进程
中，得到得将为柱状枝晶：假设G L <0产生在晶体得自由生长进程中，就将形
成等轴枝晶：
2、因素过冷对结晶进程得影响
(1)什限火线无因素过冷得平面生长：当一样寻常单相合金晶体生长切合
Gj, mCo(1
~~kp}
时，界眼火线不存在过冷：因此界而将以平而生长要领长大:
(2)窄闽素过冷区作用下得胞状生长
当一样寻常单相合金晶体生长切合
G L <mC0(1 -kp) R 卜
D L k0
时，界眼火线存在着一个局促得因素过冷区：在窄因素过冷区得作用下，不稳
定得平展界而就破裂成一种稳固得、由许多近似于旋转抛物而得凸出圆胞与网格状得凹
陷沟槽组成得新得界Ifti形态，称为胞状界側：以胞状界而向前推进得生长要领称为胞状
生长，其生长效果形成胞状晶：每个胞状晶得横向因素很不
匀称，ko<1得合金，晶胞中心溶质含量最低，向四周徐徐増髙：
(3)宽因素过冷区作用下得枝晶生长
①柱状枝晶生长
随着界眼火线得因素过冷区徐徐加宽，晶胞凸起伸向熔体更远，凸起前端徐徐变
得不稳固，胞状生长就变箏为柱状枝晶生长：假设因素过冷区富足大，二次枝晶在随后
得生长中又会在其前端破裂出三次分枝：如许不绝分枝得效果，
在因素过冷区内灵敏形成了树枝品得骨架：单相合金柱状晶生长为一种热量通过固相散
失得朿缚生长：在生长进程中主干相互平行地向着热流相反得方向延伸，相邻主干得髙
次分枝通常相互毗连，分列成方格网状，组成柱状枝晶特有得板状分列，从而使质料得
各项性能表达出剧烈得各项异性：
②等轴枝晶生长
当界眼火线因素过冷区进一步加宽时，因素过冷得极大值将大于熔
体中非均质生核最有效衬底大量生核所需得过冷，于为在柱状晶生长得
同时，界眼火线这局部熔体也将产生新得生核进程，并且导致了晶体在过冷熔体(G L<0)
得自由生长，从而形成了方向芥异得等轴枝晶：
等轴枝晶得存在克制了柱状晶区得单向延伸，以后得结晶进程便为等轴晶区不绝
向液体内部推进得进程：
由此可见，就合金得宏观结晶状态而言，平而生长，胞状生长与柱状枝品生长皆属
于一种晶体A型壁生核，由外向内单向延伸得生长要领，称为外生生长：等轴枝品在熔
体内部自由生长得要领称为内生生长：可见因素过冷区得进
—步加大促使了外生生长向内生生长得变等：：显然，这个变革为由因素过冷得巨细与
外去质点非均质生核得本事这两个因素所决定得：大得因素过冷与强生核本事得外去质
点都有利于内生生长与等轴枝晶得形成：
16.共晶合金得共生生长
大多数共晶合金在一样寻常情况下为按共生生长得要领举行结晶得：结晶时，
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