材料成形技术基础复习题

《材料成形技术基础》习题 第二章，习题3-10

图 1 金属形核临界尺寸

1、从最大形核功的角度解释∂ΔG / ∂r = 0 总的意义。

2、试分析为什么，图1 中金属形核的临界尺寸是b 处的r c ，而不是在 a 处的r a 。

3、试导出平衡凝固及固相完全扩散和液相完全混合条件下凝固时的 C L 与f a 的关系。

4、成分过冷对结晶有何影响？

5、何为偏析，偏析产生的原因是什么？

2、试述均质生核与非均质生核之间的区别与联系，并分别从临界晶核曲率半径、 生核功两个方面阐述外来衬底的湿润能力对临界生核过冷度的影响。要满足纯金属非均质生核的热力学要求，液态金属必须具备哪两个基本条件？

答：（1）T

L T G r r LC V LC ∆=∆==0

**22σσ非均

相等

但334r V π=均 ()θπf r V 3

34=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。

（2）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。

（3）右图看出 ↑∆↑→*

非

T θ ()↓∆↓→↓→T V f 非θ

即：对*r ：θ与*

非T ∆的影响.

（4）生核功：

()θπσf T

L T G LC

2203

*316∆⋅=∆非

()↓∆↓→↓→∆↓→T *

能量起伏非

G f θ （5）纯金属非均质生核的热力学条件：

V LC G r ∆=σ2*

非

()θπσf T

L T G LC 2203

*

316∆⋅=∆非

液态金属需具备条件（1）液态金属需过冷 (2)衬底存在。

3、物质的熔点就是固、液两相平衡存在的温度、试从这个观点出发阐述式（4—3） 中*r 与T ∆之间关系的物理意义。

答：式4—3 T

L T G r LC V LC ∆=∆=0

*22σσ均

当 0T T =时， 两相平衡；

当0T T <时，趋于固相：即固相教液相稳定；

式中看出 ↓↑→∆*

均

r T 。 Θ ↑∆T 即↓T ,此时固相更稳定，更易于发生相变，就以较小的*

均r 即可稳定存

在。

何谓成分过冷判据？成分过冷的大小受哪些应诉的影响？它又是如何影响着晶体的

生长方式和结晶状态的？所有的生长方式都仅仅由成分过冷因素决定吗？ 答：（1）成分过冷判据

()0

01k D k mC R G L O L

--

<

即：判据条件成立时，则存在成分过冷；反之，不会出现生分过冷。 （2）成分过冷的大小受以下因素影响 a 、合金本身：0C m 0k L D b 、工艺因素：L G R （3）

（4）不是所有的生长方式仅由成分过冷因素决定。

a 、纯金属：无成分过冷。

b 、过冷熔体的内生长，不一定存在成分过冷。

c 、游离晶的形成造成等轴晶生长。

11、已知在铸锭和铸件中s cm R 3105.2-⨯>，多数金属在液相线温度下

s cm D L 2510-≈；｜m ｜>1。假设l s

ρρ=，试分别求出下表中当%100=C (质量分数,下同）、1%、0.01%以及4.0

0=k 与0.1时的确保平面生长所必须的l G 值。

考虑到铸锭或铸件中一般情况下cm

G l ℃5~3<，根据计算结果你能得出什么结论？

答：

()0001k D k mC R G l l --≥，()0

001k D R k mC G l l --≥ ()()()()()()m m G m m G C m m G m m G C m m G m m G C l l l l l l 25.2105.21

.0104.011001.075.3105.24

.0104.011001.001.01025.2105.21

.0104.0111075.3105.24.0104.011%11025.2105.21

.0101.01101075.3105.24.0104.0110%

103

5

235

203

35

235

0435

335

0-=⨯⨯⨯-⨯⨯-≥-=⨯⨯⨯-⨯⨯-≥=⨯-=⨯⨯⨯-⨯-≥⨯-=⨯⨯⨯-⨯-

≥=÷-=⨯⨯⨯--≥⨯-=⨯⨯⨯--

≥=--------------

结论：

①容易平面生长--↑0k ②容易平面生长--↓0c

越容易平面生长,21↓-⇒T T

一般铸造条件下很少平面生长。

12、共晶结晶中，满足共生生长和离异生长的基本条件是什么？共晶两相的固液界面结构与其共生区结构特点之间有何关系？它们对共晶合金的结晶方式有何影响？ 答：

（1）共生生长的基本条件：

a.共晶两相应有相近的析出能力，原析出相 在领先相得表面生核，从而便于形成具有共生界面的双向核心。

b.界面沿溶质原子的横向扩散能保证共晶两相等速生长，使共生生长得以继续进行。

（2）离异生长的基本条件

①一相大量析出，而另一相尚未开始结晶时，形成晶相偏析型离异共晶组织。

合金成分偏离共晶点很远，初晶相长的很大，共晶成分的残面液体很少，另一

相得生核困难：偏离共晶成分，初晶相长的较大，另一相不易生核或

②当领先相为另一相的“晕圈”，被封闭时，形成领先相成球状结构的离异共晶组

织.

（3）两相固--液界面结构分为：

非小面—非小面共晶合金：共生区对称；

非小面—小面共晶合金：非对称共生区，偏向非金属高熔点一侧；

（4）非小面--非小面：共面生长：层片状，棒状，碎片状，特殊：离异非小面--小面：可以共生生长，与以上不同：当生长界面在局部是不定的，固液界面参差不齐，领先相的生长形态决定着共生两相的结构形态。

产生封闭“晕圈”时，离异生长方式。

13、小面--非小面共晶生长的最大特点是什么？它与变质处理之间的关系是什么？答：最大特点：小面相在共晶生长中的各向异性行为决定了共晶两相组织结构的基本特征。由于平整界面本身存在着各种不同的生长机理，故这类共晶合金比非小面--非小面共晶合金具有更复杂的组织形态变化。即使同一种合金在不同的条件下也能形成变种形态互异、性能悬殊的共生共晶甚至共晶组织。

与变质处理间的关系：

变质处理主要改变领先相（小面相）的界面生长动力学过程，改变其结构，从而改变共晶组织的结构。

14、提高充型能力的措施

充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成型件的能力。

影响充型能力的因素：

1 金属性质（主要是流动性）；

1）合金的种类:合金不同流动性不同

2）化学成分：同种合金中成分不同的合金具有不同的结晶特点，流动性也不同

3）结晶特性: 恒温下结晶，流动性较好；两相区内结晶，流动性较差

4）结晶潜热：潜热越大，流动性越好

5 ）此外，合金液的比热、密度越大，导热系数越小充型能力好。