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

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陶瓷大学材料成型原理题库热传导：在连续介质内部或相互接触的物体之间不发生相对位移而仅依靠分子及自由电子等微观粒子的热运动来传递热量; 热对流：流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程热辐射：是物质由于本身温度的原因激发产生电磁波而被另一低温物体吸收后,又重新全部或部分地转变为热能的过程;均质形核：晶核在一个体系内均匀地分布凝固：物质由液相转变为固相的过程过冷度：所谓过冷度是指在一定压力下冷凝水的温度低于相应压力下饱和温度的差值成分过冷：这种由固-液界面前方溶质再分配引起的过冷,称为成分过冷偏析：合金在凝固过程中发生化学成分不均匀现象残余应力：是消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在物体内的自相平衡的内应力定向凝固原则：定向凝固原则是采取各种措施,保证铸件结构上各部分按距离冒口的距离由远及近,朝冒口方向凝固,冒口本身最后凝固;屈服准则：是塑性力学基本方程之一,是判断材料从弹性进入塑性状态的判据简单加载;在加载过程中各个应力分量按同一比例增加,应力主轴方向固定不变滑移线：塑性变形金属表面所呈现的由滑移所形成的条纹本构关系;应力与应变之间的关系弥散强化：指一种通过在均匀材料中加入硬质颗粒的一种材料的强化手段最小阻力定律：塑性变形体内有可能沿不同方向流动的质点只选择阻力最小方向流动的规律边界摩擦：单分子膜润滑状态下的摩擦变质处理：在液态金属中添加少量的物质,以改善晶粒形核绿的工艺孕育处理;抑制柱状晶生长,达到细化晶粒,改善宏观组织的工艺真实应力：单向拉伸或压缩时作用在试样瞬时横截面上是实际应力热塑性变形:金属再结晶温度以上的变形塑性：指金属材料在外力作用下发生变形而不破坏其完整性的能力塑性加工：使金属在外力作用下产生塑性变形并获得所需形状的一种加工工艺相变应力：金属在凝固后冷却过程中产生相变而带来的0应力变形抗力：反应材料抵抗变形的能力超塑性: 材料在一定内部条件和外部条件下,呈现出异常低的流变应力,异常高的流变性能的现象1 韧性金属材料屈服时, 密塞斯准则较符合实际的;2 硫元素的存在使得碳钢易于产生开裂;3 塑性变形时不产生硬化的材料叫做理想塑性材料;4应力状态中的压应力,能充分发挥材料的塑性;5 平面应变时,其平均正应力ｍ等于中间主应力２;6 钢材中磷使钢的强度、硬度提高,塑性、韧性降低 ;7 材料在一定的条件下,其拉伸变形的延伸率超过100％的现象叫超塑性;8 材料经过连续两次拉伸变形,第一次的真实应变为１＝０.1,第二次的真实应变为２＝０.25,则总的真实应变＝;9 固体材料在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的能力叫材料的塑性 ;10 塑性成形中的三种摩擦状态分别是：干、边界、流体;11 对数应变的特点是具有真实性、可靠性和可加性;12 就大多数金属而言,其总的趋势是,随着温度的升高,塑性增加;13钢冷挤压前,需要对坯料表面进行磷化-皂化润滑处理;14 为了提高润滑剂的润滑、耐磨、防腐等性能常在润滑油中加入的少量活性物质的总称叫添加剂;15 塑性指标的常用测量方法拉伸、压缩、扭转实验 ;16 弹性变形机理原子间距的变化；塑性变形机理位错运动为主;1、液态金属或合金中一般存在相或结构起伏、浓度起伏和能量起伏,其中在一定过冷度下,临界核心由相或结构起伏提供,临界生核功由能量起伏提供;2、液态金属的流动性主要由成分、温度和杂质含量等决定;3、液态金属合金凝固的驱动力由过冷度提供,而凝固时的形核方式有均质形核和异质形核或非质形核两种;5、铸件凝固过程中采用振动、搅拌和旋转铸型等物理方法实现动态结晶,可以有效地细化晶粒组织;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生核过程 ,而变质则主要改变晶体的生长过程 ;7、铸造合金从浇注温度冷却到室温一般要经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个收缩阶段;8、铸件中的成分偏析按范围大小可分为微观偏析和宏观偏析两大类;1．液态金属本身的流动能力主要由液态金属的成分、温度和杂质含量等决定;2．液态金属或合金凝固的驱动力由过冷度提供;3．晶体的宏观生长方式取决于固液界面前沿液相中的温度梯度,当温度梯度为正时,晶体的宏观生长方式为平面长大方式 ,当温度梯度为负时,晶体的宏观生长方式为树枝晶长大方式 ;5．液态金属凝固过程中的液体流动主要包括自然对流和强迫对流 ;6．液态金属凝固时由热扩散引起的过冷称为热过冷 ;7．铸件宏观凝固组织一般包括表层细晶粒区、中间柱状晶区和内部等轴晶区三个不同形态的晶区;8．内应力按其产生的原因可分为热应力、相变应力和机械应力三种;9．铸造金属或合金从浇铸温度冷却到室温一般要经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个收缩阶段;10．铸件中的成分偏析按范围大小可分为微观偏析和宏观偏析二大类;1、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答：铸造合金在凝固过程中,由于液态收缩和凝固收缩的产生,往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞,称为缩孔；其中尺寸细小而且分散的孔洞称为分散性缩孔,简称缩松; 缩孔产生的条件是：铸件由表及里逐层凝固；其产生的基本原因是：合金的液态收缩和凝固收缩值之和大于固态收缩值; 缩松产生的条件是：合金的结晶温度范围较宽,倾向于体积凝固;其产生的基本原因是：合金的液态收缩和凝固收缩值之和大于固态收缩值;2.简述提高金属塑性的主要途径;答：一、提高材料的成分和组织的均匀性二、合理选择变形温度和变形速度三、选择三向受压较强的变形方式四、减少变形的不均匀性12、对于低碳钢薄板,采用钨极氩弧焊较容易实现单面焊双面成形背面均匀焊透;采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板或铝板会出现什么后果为什么解：采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板可能会出现烧穿,这是因为不锈钢材料的导热性能比低碳钢差,电弧热无法及时散开的缘故；相反,采用同样焊接规范去焊同样厚度的铝板可能会出现焊不透,这是因为铝材的导热能力优于低碳钢的缘故;6、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,因此长成了等轴晶;6、什么是金属的超塑性超塑性变形有什么特征答：在一些特定条件下,如一定的化学成分、特定的显微组织、特定的变形温度和应变速率等,金属会表现出异乎寻常的高塑性状态,即所谓超常的塑性变形;塑性效应表现为以下几个特点：大伸长率、无缩颈、低流动应力、对应变速率的敏感性、易成形;5、什么是加工硬化产生加工硬化的原因是什么它对金属的塑性和塑性加工有何影响答：加工硬化：在常温状态下,金属的流动应力随变形程度的增加而上升;为了使变形继续下去,就需要增加变形外力或变形功;这种现象称为加工硬化;加工硬化产生的原因主要是由于塑性变形引起位错密度增大,导致位错之间交互作用增强,大量形成缠结、不动位错等障碍,形成高密度的“位错林”,使其余位错运动阻力增大,于是塑性变形抗力提高;1、简述滑移和孪生两种塑性变形机理的主要区别;答：滑移是指晶体在外力的作用下,晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对移动或切变;滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生;孪生变形时,需要达到一定的临界切应力值方可发生;在多晶体内,孪生变形是极其次要的一种补充变形方式;9 . 对于低碳钢薄板,采用钨极氩弧焊较容易实现单面焊双面成形背面均匀焊透;采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板或铝板会出现什么后果为什么解：采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板可能会出现烧穿,这是因为不锈钢材料的导热性能比低碳钢差,电弧热无法及时散开的缘故；相反,采用同样焊接规范去焊同样厚度的铝板可能会出现焊不透,这是因为铝材的导热能力优于低碳钢的缘故;1.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,因此长成了等轴晶;5.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；3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;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;7.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、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;2.偏析是如何形成的影响偏析的因素有哪些生产中如何防止偏析的形成答：偏析主要是由于合金在凝固过程中扩散不充分、溶质再分配而引起的;影响偏析的因素有：1合金液、固相线间隔；2偏析元素的扩散能力；3冷却条件;针对不同种类的偏析可采取不同的防止方法,具体有：1生产中可通过扩散退火或均匀化退火来消除晶内偏析,即将合金加热到低于固相线100～200℃的温度,进行长时间保温,使偏析元素进行充分扩散,以达到均匀化；2预防和消除晶界偏析的方法与晶内偏析所采用的措施相同,即细化晶粒、均匀化退火;但对于氧化物和硫化物引起的晶界偏析,即使均匀化退火也无法消除,必须从减少合金中氧和硫的含量入手;3向合金中添加细化晶粒的元素,减少合金的含气量,有助于减少或防止逆偏析的形成;4降低铸锭的冷却速度,枝晶粗大,液体沿枝晶间的流动阻力减小,促进富集液的流动,均会增加形成V形和逆V形偏析的倾向;5减少溶质的含量,采取孕育措施细化晶粒,加强固-液界面前的对流和搅拌,均有利于防止或减少带状偏析的形成;6防止或减轻重力偏析的方法有以下几种：1加快铸件的冷却速度,缩短合金处于液相的时间,使初生相来不及上浮或下沉；2加入能阻碍初晶沉浮的合金元素;例如,在Cu-Pb合金中加少量Ni,能使Cu固溶体枝晶首先在液体中形成枝晶骨架,从而阻止Pb下沉;再如向Pb-17％Sn合金中加入质量分数为%的Cu,首先形成Cu-Pb骨架,也可以减轻或消除重力偏析；3浇注前对液态合金充分搅拌,并尽量降低合金的浇注温度和浇注速度;15、分析氢在形成冷裂纹中的作用,简述氢致裂纹的特征和机理;答：1氢的作用焊缝凝固时,高温下溶入液态金属中的氢将来不及析出,呈过饱和态残留在接头中;由于氢原子的体积小,因此可以在接头中自由扩散,称之为接头中的扩散氢;扩散氢易于在焊接热影响区、焊趾、焊根等部位偏聚,使金属脆化;尤其是当这些部位存在显微裂纹时,扩散氢易向裂纹尖端的三向拉伸应力区扩散、聚集,当接头中的扩散氢达到氢的临界含量时,将导致冷裂纹的出现;2氢致裂纹的形成机理及特征形成机理：接头中的扩散氢不仅使金属脆化,当金属内部存在显微裂纹等缺陷时,在应力的作用下,裂纹前沿会形成应力集中的三向应力区,诱使接头中的扩散氢向高应力区扩散并聚集为分子态氢,体积膨胀使裂纹内压力增高,裂纹向前扩展,在裂纹尖端形成新的三向应力区,这一过程周而复始持续进行;当接头中的氢含量超过临界值时,显微裂纹将扩展成为宏观裂纹;特征：氢致裂纹从潜伏、萌生、扩展直至开裂具有延迟特征；存在氢致延迟裂纹的敏感温度区间Ms以下200℃至室温范围；常发生在刚性较大的低碳钢、低合金钢的焊接结构中;9. 什么是动态再结晶影响动态再结晶的主要因素有哪些答：在热塑性变形过程中,层错能低的金属在变形量很大时,当加热升温时,原子具有相当的扩散能力,变形后的金属自发地向低自由能状态转变,称为动态再结晶;影响动态再结晶的主要因素有：金属的层错能高低,晶界迁移的难易程度有关;15. 应力状态对金属的塑性和变形抗力有何影响答：塑性：金属在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的能力;应力状态不同对塑性的影响也不同：主应力图中压应力个数越多,数值越大,则金属的塑性越高；拉应力个数越多,数值越大,则金属的塑性就越低;这是由于拉应力促进晶间变形,加速晶界破坏,而压应力阻止或减小晶间变形；另外,三向压应力有利于抑制或消除晶体中由于塑性变形而引起的各种微观破坏,而拉应力则相反,它使各种破坏发展,扩大;变形抗力：金属在发生塑性变形时,产生抵抗变形的能力,称为变形抗力,一般用接触面上平均单位面积变形力表示应力状态不同,变形抗力不同;如挤压时金属处于三向压应力状态,拉拔时金属处于一向受拉二向受压的应力状态;挤压时的变形抗力远比拉拔时变形抗力大;。

9 铸件的宏观组织

致，力学方向性明显，由于溶质再分配，在柱状晶与等轴晶间可能存在“弱面”，易于形成热裂纹内部等轴晶：各向同性，偏析元素、非金属夹杂、气体分布分散，彼此嵌合，无“弱面”，但粗大时易于产生缩松。
第9章铸件凝固组织的形成及控制 10
对三个区的控制

思路: 晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力

第9章铸件凝固组织的形成及控制 7
二、柱状晶区的形成
柱状晶区是表面细晶区晶体向内单向延伸生长的结果。稳定的凝固壳层一旦形成，柱状根据热流方向择优生长。晶就直接由表面细等轴晶凝固层柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产某些晶粒为基底向内生长，发展生，而结束于内部等轴晶区的形成。因此柱状晶区的存在与否及宽窄程成由外向内生长的柱状晶区。枝度取决于上述两个因素综合作用的晶主干取向与热流方向平行的枝结果。如果在凝固初期就使得内部产生等轴晶的晶核，将会有效地抑晶生长迅速。制柱状晶的形成。择优生长、内生生长，外生生长、共生生长、搭桥生长
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一、孕育处理2生核4、涂覆铸型3、变质处理二、动态下的结晶三、电场作用下结晶四、铸造条件对凝固组织的影响2 浇注温度、铸型
性质
五、快速凝固2大过冷、急冷六、定向凝固
第9章铸件凝固组织的形成及控制 12
第五章铸件及焊缝宏观组织及其控制
1
合金成分凝固组织铸造条件各项性能
宏观：晶粒形状、尺寸、取向、分布
微观：晶粒内部形态，树枝晶、胞状晶，共晶团两相结构形态、数量、分布
第9章铸件凝固组织的形成及控制
2
第一节铸件的宏观组织第二节表面激冷区及柱状晶区的形成
第三节内部等轴晶的形成机理
第四节铸件宏观结晶组织的控制

金属凝固理论第8章铸件凝固组织的形成及控制

当偶然产生的凸出部分突破此层后，便进入较大的成分过冷区内，长出较粗大的分枝，从而在分枝根部留下缩颈。
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晶粒增殖
一种非常重要的晶粒游离现象。过程：游离晶在漂移过程中不断通过不同的温度
区域和浓度区域，不断受到冲击，处于反复局部熔化和反复生长之中，这样分枝根部缩颈就可能断开，破碎成几个晶粒。
晶区数及厚度随合金成分和凝固条件而变。
铸件性能由柱状晶区和内部等轴晶区的相对量决定，表面细晶区影响有限。
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事实上，并不是所有的铸件都具有三个晶区的组织。
晶区数及柱状晶区和内部等轴晶区的相对宽度都随合金的性质和具体的凝固条件而变化。
在一定的条件下，甚至可以获得完全由柱状晶或等轴晶所组成的宏观结晶组织。
获得的组织
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铸件内通常含有三个不同形态的晶区
1、表面细晶区：紧靠铸型壁的激冷组织 ——激冷区。细小等轴晶。
2、柱状晶区：垂直于型壁，彼此平行排列的柱状晶粒。
3、内部等轴晶区：各向同性的等轴晶。尺寸比表面细晶区的粗大。
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表面激冷区较薄，仅几个晶粒厚，其余两晶区较厚。
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A more cellular solidification front
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Dendritic solidification
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（三）内部等轴晶区的形成
内部等铀晶区是熔体内部晶核自由生长的结果。
关于等轴晶晶核的来源以及这些晶核如何发展并最终形成等轴晶区的具体过程，还存在争议。

铸件成形原理第6章铸件凝固组织的控制

6.4.2 激冷等轴晶型壁脱落与游离理论
图6-3
浇注过程中激冷晶游离示意图
6.4.2 激冷等轴晶型壁脱落与游离理论
图6-4 凝固初期的激冷等轴晶游离示意图 a)晶体密度比熔体的小 b)晶体密度比熔体的大
6.4.2 激冷等轴晶型壁脱落与游离理论
图6-5 型壁晶粒脱落示意图
6.4.2 激冷等轴晶型壁脱落与游离理论
枝晶的过程中逐渐发展形成柱状晶区，如图6-2所示(实例可见
图4-37)。在柱状晶体的择优生长过程中，距离型壁越远，取向不利的枝晶被淘汰得越多，柱状晶的伸展方向越趋于同热流的逆方向一致，柱状晶主干的平均间距也越大。
6.3 柱状晶区的形成机理
图6-2 柱状晶区形成示意图
6.4 内部等轴晶区的形成机理 6.4.1 成分过冷理论
图6-6
游离晶体的生长、局部熔化与增殖示意图
6.4.3 枝晶熔断及结晶雨理论
图6-7
6.5 铸件宏观凝固组织控制 1.合理控制浇注工艺和冷却条件
2.孕育处理
3.动力学细化
6.5 铸件宏观凝固组织控制
图6-8 金属液通过水冷斜板低温浇注示意图
1.合理控制浇注工艺和冷却条件 (1)较低的浇注温度从前面讨论可知，降低浇注温度导致熔体
铸件成形原理
第6章铸件凝固组织的控制 6.1 铸件宏观组织特征
6.2 表面激冷晶区的形成机理
6.3 柱状晶区的形成机理 6.4 内部等轴晶区的形成机理 6.5 铸件宏观凝固组织控制 6.6 凝固组织与熔体热历史的相关性
6.1 铸件宏观组织特征液态金属凝固时，由于金属熔体的化学成分、浇注条件、铸型
的过热温度变小，在浇注过程中及凝固初期易使较多激冷晶发
生游离；同时，较低的浇注温度可避免激冷晶粒在向铸型内部游离过程中完全重熔，从而熔体内具有较大游离晶粒的数量。 (2)合理的浇注工艺通过合理设计浇注系统和浇注方式，增加金属液对型壁的冲刷作用，强化铸型中金属熔体的对流，同时避免引起大量气体和夹杂卷入而导致铸件产生相应的缺陷，可以促进游离晶粒的产生和晶粒游离，有利于等轴晶的形成和细

金属学练习题及部分答案

二00二年试题：一.名词解释（20分，每个2.5分）（1）点阵畸变（2）柏氏矢量（3）相图（4）过冷度（5）形变织构（6）二次再结晶（7）滑移系（8）孪生二.画出立方晶系中（111）面、（435）面。

写出立方晶系空间点阵特征。

（10分）三.铸锭的一般组织可分为哪几个区域？写出其名称。

并简述影响铸锭结晶组织的因素。

（10分）四.画图并简述形变过程中位错增殖的机制。

（10分）五.写出菲克第一定律的数学表达式，并说明其意义。

简述影响扩散的因素。

（10分）六.简述形变金属在退火过程中显微组织、存储能及其力学性能和物理性能的变化。

（10分）七.简述固态相变与液态相变的相同点与不同点。

（10分）八.画出铁碳相图，标明相图中各特征点的温度与成分，写出相图中包晶反应、共晶反应与共析反应的表达式。

（10分）九.分析再过程中行核和张大与凝固过程中的行核和张大有何不同点。

（10分）十.分析含碳量0.12%的铁碳合金的结晶过程。

（10分）（单考生做）十一.简述铸锭的宏观偏析。

（10分）（单考生做）十二.简述金属晶体中缺陷的类型。

（10分）（单考生做）答案：一，1，点阵畸变：在局部范围，原子偏离其正常的点阵位置，造成点阵畸变。

2，柏氏矢量：描述位错特征的一个重要矢量，它集中反映了位错区域内畸变总量的大小和方向，也是位错扫过后晶体相对滑动的量。

3，相图：描述各相平衡存在条件或共存关系的图解，也可称为平衡时热力学参量的几何轨迹。

4，过冷度：相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变，平衡相变温度与该实际转变温度之差称过冷度。

5，形变织构：多晶形变过程中出现的晶体学取向择优的现象。

6，二次再结晶：再结晶结束后正常长大被抑制而发生的少数晶粒异常长大的现象。

7，滑移第：晶体中一个滑移面及该面上的一个滑移方向的组合称一个滑移系。

8，孪生：晶体受力后，以产生孪晶的方式进行的切变过程。

二，立方晶系中（111）面、（435）面图略。

立方晶系空间点阵特征是点阵参数有如下关系：a=b=c, α=β=γ=90°。

铸件宏观凝固组织的特征及形成机理

浇注期间和凝固初期的激冷晶游离随着液流漂移到铸件心部，通过增殖，长大形成内部等轴晶
（3）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离理论：（4）“结晶雨”游离理论液面晶粒沉降。
（2）激冷晶游离理论
非均质形核的激冷游离晶
因浇温低，浇注中形成的激冷游离晶
凝固初期形成的激冷游离晶
（3）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离理论
状晶或等轴晶所组成的宏观结晶组织：
完全柱状晶
完全等轴晶
二、铸件宏观凝固组织的形成机理
1、表面细晶粒区的形成
• 铸型壁附近熔体受到强烈的激冷作用而大量形核，形成无方向性的表面细等轴晶组织，也叫“激冷晶”。
• 细化程度取决于 • △型壁散热条件所决定的过冷度和凝固区域的宽度。 • △型壁附近熔体内大量的非均匀形核 • △各种形式的晶粒游离
•竞争淘汰
•离开型壁的距离越远，取向不利的晶体被淘汰得就越多，柱状晶的方向就越集中，同时晶粒的平均尺寸也就越大。
柱状晶择优生长
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3、内部等轴晶区的形成
－－熔体内部晶核自由生长的结果
• 等轴晶晶核来源
（1）过冷熔体直接形核理论：
溶质原子富集而使界面前方成分过冷增大发生非均匀形核
（2）激冷晶游离理论：
型壁晶体或柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖——理论基点为溶质再分配。
图型壁晶粒脱落示意图
图枝晶分枝“缩颈”的形成 a) b) c)为二、三次分枝时缩颈形成过程示意图。 V为生长方向。d)环乙烷的枝晶，可见分枝缩颈
• 溶质浓度再分配→界面前沿液态金属凝固点降低→实际过冷度减小。溶质偏析程度越大，实际过冷度就越小，其生长速度就越缓慢。晶体根部紧靠型壁，溶质在液体中扩散均化的条件最差，偏析程度最为严重，

材料成形理论基础习题

材料成形理论基础习题第一部分液态金属凝固学2.1 纯金属和实际合金的液态结构有何不同？举例说明。

2.2 液态金属的表面张力和界面张力有何不同？表面张力和附加压力有何关系？2.3 液态合金的流动性和冲型能力有何异同？如何提高液态金属的冲型能力/2.4 钢液对铸型不浸润，θ＝180°，铸型砂粒间的间隙为0.1cm，钢液在1520℃时的表面张力σ=1.5N/m,密度ρ液＝7500kg/m3。

求产生机械粘砂的临界压力；欲使钢液不粘入铸型而产生机械粘砂，所允许的压头H值是多少？2.5 根据Stokes公式计算钢液中非金属夹杂物MnO的上浮速度，已知钢液温度为1500℃，η＝0.0049N.s/m2, ρ液=7500kg/m3,ρMnO=5400 kg/m3,MnO呈球行，其半径r＝0.1mm。

3.1 设想液体在凝固时形成的临界核心是边长为a*的立方体形状;(1)求均质形核时的a*和△G*的关系式。

(2)证明在相同过冷度下均质形核时，球形晶核较立方形晶核更易形成。

3.2 设Ni的最大过冷度为319℃，求△G*均和r*均，已知θm＝1453℃。

L＝-1870J/mol，σLC=2.25×10-5J/cm2,摩尔体积为6.6cm3.3.3 什么样的界面才能成为异质结晶核心的基底？3.4 阐述影响晶体生长的因素。

4.1 用Chvorinov公式计算凝固时间时，误差来源于哪几方面？半径相同的圆柱和球体哪个误差大？大铸型和小铸型哪个误差大？金属型和砂型哪个误差大?4.2 立方体、等边圆柱和球形冒口，试证明球形冒口的补缩能力最强。

4.3 焊接熔池有何特征？对凝固过程有何影响？4.4 何谓凝固过程的溶质再分配？它受哪些因素的影响？4.5 设状态图中液相线和固相线为直线，证明平衡常数k0＝Const。

4.6 Al-Cu相图的主要参数为C E＝33%Cu,C=5.65％, Tm＝660℃,T E＝548℃。

材料成形原理华科第五章_铸件凝固组织的形成及控制PPT课件

0.1~1.0，与Si-Fe复合
Ti:0.15; Zr:0.2；复合:Ti0.01 B或C0.05; ≥0.02
加入方法
铁合金
铁合金
Al-Ti, Al-Zr,Al-Ti-B, Al-Ti-C中间合金 Al-P，Cu-P，Fe-P 中间合金
0.02~0.04
纯金属或中间合金碳化物粉末
表5-1 合金常用孕育剂的主要元素情况
激冷等轴晶型壁脱落与游离理论
在浇注的过程中及凝固的初期激冷,等轴晶自型壁脱落与游离促使等轴晶形成, 浇注温度低可以使柱状晶区变窄而扩大等轴晶区。
图5-5 型壁处形成的激冷晶向铸件内部的游离 a) 晶体密度比熔体小的情况; b) 晶体密度比熔体大的情况
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。
对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多的甚至是全部细小的等轴晶组织；
对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界，防止晶界降低蠕变抗力。
2、铸件宏观组织的控制途径和措施
•等轴晶组织的获得和细化
强化非均匀形核促进晶粒游离抑制柱状晶区
（1）加入强生核剂——孕育处理
孕育——向液态金属中添加少量物质以达到增加晶核数、细化晶粒、改善组织之目的的一种方法。Inoculation
一、合理地控制浇注工艺和冷却条件二、孕育处理三、动力学细化
合理的浇注工艺冷却条件的控制
浇注温度浇注方式
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。但过低的浇注温度将降低液态金属的流动性，导致浇不足和冷隔等缺陷的产生。

9 铸件的宏观组织

11
一、孕育处理2生核4、涂覆铸型3、变质处理二、动态下的结晶三、电场作用下结晶四、铸造条件对凝固组织的影响2 浇注温度、铸型
性质
五、快速凝固2大过冷、急冷六、定向凝固
第9章铸件凝固组织的形成及控制 12
第二节表面激冷区及柱状晶区的形成
一、表面激冷区的形成二、柱状晶区的形成
第9章铸件凝固组织的形成及控制
6
一、表面激冷区的形成
早期的理论型壁附近熔体由于受获得表面细晶区的条件：抑制凝固到强烈的激冷作用，产生很大的过壳层的形成。冷度而大量非均质生核。这些晶核一旦型壁附近的晶粒互相连结而构在过冷熔体中采取枝晶方式生长，由于其结晶潜热既可从型壁导出，成稳定的凝固壳层，凝固将转为柱状也可向过冷熔体中散失，从而形成晶区由外向内的生长，表面激冷细晶了无方向性的表面细等轴晶组织。粒区将不再发展。因此稳定的凝固壳大野笃美：除了非均质形核，各种层形成得越早，表面细晶粒区向柱状形式的晶粒游离也是形成表面细等轴晶的“晶核”来源。溶质再分配晶区转变得也就越快，表面激冷区也产生“缩颈”，枝晶熔断脱落。因就越窄。此，偏析和流动有利于表面细晶区铸型激冷能力的双重性形成。

第9章铸件凝固组织的形成及控制 7
二、柱状晶区的形成
柱状晶区是表面细晶区晶体向内单向延伸生长的结果。稳定的凝固壳层一旦形成，柱状根据热流方向择优生长。晶就直接由表面细等轴晶凝固层柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产某些晶粒为基底向内生长，发展生，而结束于内部等轴晶区的形成。因此柱状晶区的存在与否及宽窄程成由外向内生长的柱状晶区。枝度取决于上述两个因素综合作用的晶主干取向与热流方向平行的枝结果。如果在凝固初期就使得内部产生等轴晶择优生长、内生生长，外生生长、共生生长、搭桥生长

第3章凝固组织

第三章铸坯凝固组织凝固组织包括两个方面：（1）宏观组织：指用肉眼观察到的铸坯内部的组织情况，通常包括晶粒的形态、大小、取向和分布等情况。

也就是针对铸坯的宏观状态而言F也称为“凝固结构”“低倍组织”和“低倍结构”（2）显微组织：是指借助于显微镜观察到的晶粒内部的结构形态，如树枝晶、胞状晶以及枝晶间距等。

也就是针对铸坯的微观形态而言。

也称为“金相组织”“微观组织”两者表现形式不同，但其形成过程却密切相关，并对铸坯的各项性能，特别是机械性能产生强烈的影响。

第二章讨论了晶粒微观组织的形成过程，本章侧重于分析铸坯宏观组织的成因以及各种因素的影响。

在理论分析基础上，总结生产中控制铸坯结晶组织的各种有效方法。

第一节铸坯的凝固区域一．铸坯凝固的特点（1）钢属于一种合金。

钢液与纯金属的凝固特征的区别在于：①纯金属是在一个固定温度下完成凝固。

在定向凝固时，凝固前沿无过冷，凝固前沿或凝固区域为一个等温平面。

②钢是铁碳合金，钢液凝固是在一定的温度范围内完成的。

由于溶质再分配产生成分过冷,以树枝晶生长方式完成凝固。

即凝固发生在一定范围内，而不再位于一个平面内。

（2）冷却强度高：与铸造和模注工艺相比，连铸采用了强制冷却方式，冷却强度高。

即使在空冷区，铸坯的冷却强度也大于砂模铸造和模注。

（3）定向传热：在凝固过程中，采取铸坯表面冷却，从而形成了由内部向表面的定向传热方式。

从钢液内部到坯壳表面温度逐渐降低，即铸坯内外存在较大的温度梯度G。

二．凝固区域从宏观来看，定向传热使铸坯内部存在温度梯度，而合金性质决定了凝固是在一定温度范围内完成，因此铸坯在凝固过程中会存在三个区域：固相区、两相区和液相区。

如图3—18所示。

左图是平衡相图，钢液的结晶温度范围为T -T 。

右图是正在凝固的LS铸坯断面，厚度为D 。

(1) 固相区：铸坯表层区域，其温度低于固相线温度T 而成为固态，即凝固坯壳。

S(2) 液相区：中心温度仍在液相线T 以上而仍为液态钢水，即液芯；L(3) 两相区：在固相区和液相区之间，温度处于液相线T 和固相线T 之间，呈固液共存。

材料成型原理第五章答案

第五章1.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，因此长成了等轴晶。

2.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，从而起到细化晶粒的作用。

宏观凝固组织资料

第一章：铸造凝固组织的形成和控制1.1铸件宏观凝固组织的特征1.1.1特征根据液态金属的成份、铸型的性质、浇注及冷却条件，宏观凝固组织一般包括如下三个部分：表面细晶区，中间柱状晶去，内部等轴晶区。

图：p97 图8-1，b），（1）表面细晶区：紧靠铸型型壁的激冷组织，因此也称激冷区；由无规则的细小等轴晶组成。

特点：非常薄，只有几个晶粒厚。

(2) 中间柱状晶区：紧连细晶区；垂青于型壁（散热方向）；彼此平行排列；断面形状为柱状。

特殊情况：全部是柱状晶区，p97 图8-1，a）（3）内部等轴晶区：各相同性；没有方向性；晶粒尺寸远大于表面细晶区。

特殊情况：全部是等轴晶区：表面细晶区的数量非常小，对工件的整体性能影响不大，而柱状晶区和内部等轴晶区的数量非常大，因此，材料的性能主要取决于这两个相的相对比例。

具体的影响下面再谈。

1.1.2 铸件结晶组织对铸件性能的影响：（1）表面细晶区：特点：晶粒细且没有方向性；性能非常好；非常薄——几个晶粒的厚度:小于1mm。

对铸件性能的影响：对于薄壁铸件：如厚度在4~6mm的铸件，具有一定的意义对于大部分铸件：意义不大，这个厚度所占比例非常小：结论：一般不给与特别重视。

对于特别薄的铸件有一定的意义。

（2）中间柱状晶区：特点：a）晶粒长、粗大、晶界面积小、排列位向一致，b）杂质、非金属夹杂、气体等，一般存在在结晶界面上，特别是最后结晶的界面上。

而在柱状晶区，这些杂质主要存在于柱状晶与柱状晶或柱状晶与等轴晶的界面上，形成性能弱面。

C）进一步的加工，如塑性加工或轧制：在杂质较多的结合界面上产生裂纹。

性能：有方向性；纵向好，横向差；有性能弱面。

结论：一般情况下尽量避免。

特殊情况下充分利用。

举例：高锰钢锤头锤柄。

工况条件，旋转，打击、破碎。

高锰钢成分：Mn=13，C=1.2高锰钢锤头结构及组织示意图性能：韧性非常好，同时加工硬化。

实际生产中遇到的问题：但是浇注出来的铸件，拿锤子一砸就断。

第三章铸件宏观组织及其控制

如果型壁面作为等轴晶的起源，则对于型壁性质的研究是很有意义的。型壁的粗糙度
如果铸型是均质且是镜面，在型壁上形核的晶粒随着液面的上升而沿着型壁成长，因此就形成了稳定的凝固壳（a）
如果型壁面是凹凸的，如图b，熔液不能进入凹凸的谷间，晶粒的成长被阻止。
和镜面相比，粗面侧产生了更多的柱状晶。
如，对铝合金来说，Ti、Ni、 Fe等的偏析系数较大，易细化晶粒； Zn、Mn等偏析系数较小，组织难细化
前面指出，当过冷度增加到一定程度，等轴晶的生成和游离就不发生，而在型壁上一开始就形成了稳定的凝固壳，从而得到柱状晶。这表示，铸型的激冷能力越大，稳定的凝固壳形成得越快，等轴晶的生成和游离就越困难。
因此，柱状晶区的存在与否及宽窄程度取决于上述两个因素综合作用的结果。
控制柱状晶区向前发展的关键因素是，内部等轴晶区的出现。等轴晶形成得越早，柱状晶越窄。
本质上，内部等轴晶区的形成是由于熔体内部晶粒自由生长的结果。
三种不同的理论
一、成分过冷理论
该理论认为：随着凝固层向内推移，固相散热能力逐渐减弱，内部温度梯度趋与平缓，且液相中的溶质越来越富集，从而使截面前方成分过冷逐渐增大。当成分过冷大到足以发生非均质生核时，便导致内部等轴晶的形成
浇注的过程中及凝固的初期，激冷等轴晶从型壁脱落与游离，促使等轴晶的产生。
游离晶体的产生：
● 在浇注过程中，由于浇注系统和铸型的吸热，产生大的过冷度，促使大量的晶核形成，产生大量的等轴晶形成，
这些小等轴晶从型壁脱落
并随着浇注液流分布于整个铸件。
●浇注完毕，凝固的开始阶段，在型壁处形成的晶体，由于其密度或大于或小于母相，产生对流，依靠对流可将型壁处产生的晶体脱落且游离到内部。

材料成形原理部分答案

用Chvorinov公式计算凝固时间时，误差来源于铸件的形状、铸件结构、热物理参数浇注条件等方面。
半径相同的圆柱和球体比较，前者的误差大；大铸件和小铸件比较，后者误差大；金属型和砂型比较，后者误差大，因为后者的热物性参数随温度变化较快。
11、何谓凝固过程的溶质再分配？它受哪些因素的影响？
溶质再分配：合金凝固时液相内的溶质一部分进入固相，另一部分进入液相，溶质传输使溶质在固－液界面两侧的固相和液相中进行再分配。
金属凝固时，完全由热扩散控制，这样的过冷称为热过冷；
由固液界面前方溶质再分配引起的过冷称为成分过冷.
成分过冷的本质：由于固液界面前方溶质富集而引起溶质再分配，界面处溶质含量最高，离界面越远，溶质含量越低。由结晶相图可知，固液界面前方理论凝固温度降低，实际温度和理论凝固温度之间就产生了一个附加温度差△T，即成分过冷度，这也是凝固的动力。
2、液态金属表面张力和界面张力有何不同？表面张力和附加压力有何关系？
答：液体金属的表面张力是质点（分子、原子）间作用力不平衡引起的。而任意两相（固-固、固-液、固-气）的交界面称为界面，由界面间相互作用而产生的力叫界面张力，表面张力可说是界面张力的一个特例。界面张力与两个表面张力之间的关系为：
σAB=σA+σB–wAB，其中σA、σB分别是A、B两物体的表面张力，wAB为两个单位面积界面向外做的功。表面张力与附加压力的关系有拉普拉斯方程描述：，其中R1、R2为曲面的曲率半径。
1类：这种生核剂通常是与欲细化相具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：生核剂中的元素能与液态金属中的某元素形成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。

铸件凝固组织的形成和控制

3பைடு நூலகம்内部等轴晶区的形成
四种形成理论
① 过冷熔体非自发形核理论 ΔTC＞ΔT异
② 激冷晶核卷入理论 — 条件：浇注温度低。两种理论的基础都是非均质形核。
③ 型壁脱落和枝晶熔断理论 — 原因：溶质再分配→缩颈→熔断、冲断。
④ 结晶雨游离理论 — 发生在大型铸锭（件）。
三点注意
— 游离晶体的增殖； — 液体流动及其所引起的晶体或分枝的脱落，沉积和晶体增
① 向熔体中加入强生核剂
孕育：改变形核率；变质：影响晶粒生长过程； ➢ 目的：强化非均质形核几种生核剂：
第一类：直接作为外加晶核；第二类：生核剂中含有可形成高熔点稳定化合物的元素；
注：不同质点的形核过冷度不同。
— 异质形核需要满足一定的温度条件，即液相中存在异质生核所需的过冷度。
— 良好生核剂应具备的条件： — 含有稳定的,不易溶解的异质固相， — 良好的匹配关系； — 异质固相细小弥散,不影响合金性能； — 不带入影响合金性能的有害元素。
铸型及已凝固层之间的相对运动
⑤ 等轴晶枝晶间距的控制二次枝晶间距对力学性能的影响比晶粒大小更为明显；二次枝晶间距的大小与晶体的结构形态和晶粒大小无关。措施 — 薄壁铸件的快速冷却； — 具有显微激冷作用的悬浮铸造； — 强成分过冷孕育剂和稀土孕育剂的应用； — 由于低温浇注有利于加快冷却速度，因而也能在一定程度
被称为孕育衰退现象。与温度和粒度有关。
— 常用合金的生核剂（孕育剂）
② 控制浇注条件采取低温浇注
— 有利于脱落、熔断晶粒的残存； — 有利于产生更多的游离晶粒；
合适的浇注工艺
— 增加冲刷，促进对流。
采用悬浮铸造所谓悬浮铸造法就是在浇注过程中向液态金属中加入一定数量的金属粉末（2～4%），这些金属粉末象极多的小冷铁均匀地分布于液态金属中，起着显微激