金属凝固原理笔记答案
金属凝固理论答案最新_东北大学
程中，ΔGV=GL-GS=-ΔHf（Tm-T）/Tm<0，此时ΔHf>0，故 T<Tm，即在形核过程中，要获得所必 须的驱动力，一定要有适当的过冷度，这样才能满足结晶的热力学条件。
8．说明为什么异质形核比均质形核容易? 影响异质形核的因素?
因为均质形核过程中，需要有较大强度的能量起伏和相起伏，因此需要较大的过冷度，一般
它们形式一样但意义不一样。
6. 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？。
答：一般在体积相同的情况下上述物体的表面积大小依次为：A 球<A 块<A 板<A 杆
根据
R K
与
R
V1 A1
所以凝固时间依次为： t 球>t 块>t 板>t 杆。 5. 在砂型中浇铸尺寸为 30030020 mm 的纯铝板。设铸型的初始温度为 20℃，浇注后瞬间
即使出现也可以焊合）。气孔倾向小，应力大，宏观偏析严重。
②体积凝固方式，对铸件质量的影响：流动性能不好，不容易获得健全的铸件。液体补
缩不好，铸件的组织不致密，热裂形成集中缩孔的倾向小。热裂倾向大（因为热裂是在凝固
区形成的，凝固区域宽，晶间易出现裂纹），气孔倾向大，应力小，宏观偏析不严重。
③中间凝固方式，对铸件质量的影响：可大幅改善铸件的组织和降低铸件的中心缺陷，
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。 4.何谓成分过冷的判据？成份过冷的大小受哪些因素的影响？ 判据：当界面前沿液相的实际温度梯度 （ ）小于液相斜率时，即
纯金属的凝固习题与答案
纯金属的凝固习题与答案1 说明下列基本概念凝固、结晶、过冷、过冷度、结构起伏、能量起伏、均匀形核、非均匀形核、临界晶核半径、临界晶核形核功、形核率、生长线速度、光滑界面、粗糙界面、动态过冷度、柱状晶、等轴晶、树枝状晶、单晶、非晶态、微晶、液晶。
2 当球状晶核在液相中形成时，系统自由能的变化为σππ23344r G r G V +∆=∆，(1)求临界晶核半径c r ；(2)证明V V c c G A G c ∆-==∆231σ(c V 为临界晶核体积)；(3)说明上式的物理意义。
3 试比较均匀形核与非均匀形核的异同点，说明为什么非均匀形核往往比均匀形核更容易进行。
4 何谓动态过冷度?说明动态过冷度与晶体生长的关系。
在单晶制备时控制动态过冷度的意义？5 分析在负温度梯度下，液态金属结晶出树枝晶的过程。
6 在同样的负温度梯下，为什么Pb 结晶出树枝状晶而Si 的结晶界面却是平整的?7 实际生产中怎样控制铸件的晶粒大小?试举例说明。
8 何谓非晶态金属?简述几种制备非晶态金属的方法。
非晶态金属与晶态金属的结构和性能有什么不同。
9 何谓急冷凝固技术?在急冷条件下会得到哪些不同于一般晶体的组织、结构?能获得何种新材料?. 计算当压力增加到500×105Pa 时锡的熔点的变化，已知在105Pa 下,锡的熔点为505K ，熔化热7196J/mol ，摩尔质量为118.8×10-3kg/mol ，固体锡的体积质量7.30×103kg/m 3，熔化时的体积变化为+2.7%。
2. 考虑在一个大气压下液态铝的凝固，对于不同程度的过冷度，即：ΔT=1，10，100和200℃，计算： (a)临界晶核尺寸；(b)半径为r*的团簇个数；(c)从液态转变到固态时，单位体积的自由能变化ΔGv ； (d)从液态转变到固态时，临界尺寸r*处的自由能的变化 ΔGv 。
铝的熔点T m =993K ，单位体积熔化热ΔH f =1.836×109J/m 3，固液界面自由能γsc =93J/m 2，原子体积V 0=1.66×10-29m 3。
材料科学基础答案
材料科学基础答案1.为什么室温下金属晶粒越细强度，硬度越高，塑性韧性也越好答：金属晶粒越细，晶界面积越大，位错障碍越多，需要协调的具有不同位向的晶粒越多，金属塑性变形的抗力越高，从而导致金属强度和硬度越高。
金属的晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，同时参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，推迟了裂纹的形成和扩展，使得在断裂前发生较大的塑性变形。
在强度和塑性同时增加的情况下，金属在断裂前消耗的功增大，因而其韧性也比较好。
因此，金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越好。
2.冷塑性变形金属产生加工硬化的原因随变形量增加，空密度增加。
④由于晶粒由有利位向而发生几何硬化，因此使变形抗力增加。
随变形量增加，亚结构细化，亚晶界对位错运动有阻碍作用。
答：①晶体内部存在位错源，变形时发生了位错增值，随变形量增加，位错密度增加。
由于位错之间的交互作用，使变形抗力增加。
3.某厂用冷拉钢丝绳吊运出炉热处理工件去淬火，钢丝绳的承载能力远超过工件的质量，但在工件的运送过程中钢丝绳发生断裂，试分析其原因答：冷拉钢丝绳是利用热加工硬化效应提高其强度的，在这种状态下的钢丝中晶体缺陷密度增大，强度增加，处于加工硬化状态。
在淬火的温度下保温，钢丝将发生回复、再结晶和晶粒长大过程，组织和结构恢复软化状态。
在这一系列变化中，冷拉钢丝的加工硬化效果将消失，强度下降，在再次起吊时，钢丝将被拉长，发生塑性变形，横截面积减小，强度将比保温前低，所以发生断裂。
4细化晶粒方法1.在浇注过程中： 1）增大过冷度； 2）加入变质剂； 3）进行搅拌和振动等。
2. 在热轧或锻造过程中： 1)控制变形度； 2)控制热轧或锻造温度。
3. 在热处理过程中：控制加热和冷却工艺参数利用相变重结晶来细化晶粒。
4. 对冷变形后退火态使用的合金： 1)控制变形度； 2)控制再结晶退火温度和时间5、试说明滑移，攀移及交滑移的条件，过程和结果，并阐述如何确定位错滑移运动的方向。
解答：滑移：切应力作用、切应力大于临界分切应力；台阶攀移：纯刃位错、正应力、热激活原子扩散；多余半原子面的扩大与缩小交滑移：纯螺位错、相交位错线的多个滑移面；位错增殖位错滑移运动的方向，外力方向与b一致时从已滑移区→未滑移区。
华科 材料成型原理 第一部分 液态金属凝固学答案
华科材料成型原理第一部分液态金属凝固学答案华科材料成型原理第一部分液态金属凝固学答案第一部分：液态金属的凝固2.1答：（1）纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。
原子集团的空穴或裂纹中有不规则排列的自由原子。
这种结构处于快速变化状态，液体中存在能量波动。
（2）实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡组成的鱼目混珠的“混浊”液体，也就是说，实际的液态合金除了存在能量起伏外，还存在浓度起伏和结构起伏。
2.2答案：液态金属的表面张力是界面张力的特例。
表面张力对应于液气界面张力对应于固－液、液－气、固－固、固－气、液－液、气－气的交界面。
表面张力？与附加压力P的关系如下：（1）P=2/r。
当因表面张力而增长的曲面为球体时，r为球体的半径；（2） p＝0？（1/R1+1/r2），其中R1和r2分别是曲面的曲率半径。
附加压力是因为液面弯曲后由表面张力引起的。
2.3答案：液态金属的流动性和冲孔能力是影响成形产品质量的因素；区别：流动性是决定因素件下的冲型能力，它是液态金属本身的流动能力，由液态合金的成分、温度、杂质含量决定，与外界因素无关。
而冲型能力首先取决于流动性，同时又与铸件结构、浇注条件及铸型等条件有关。
提高液态金属冲孔能力的措施：（1）金属性质方面：①改善合金成分；②结晶潜热l要大；③比热、密度、导热系大;④粘高度和表面张力。
（2）铸型性质方面：①蓄热系数大；②适当提高铸型温度；③提高透气性。
（3）浇注条件方面：①提高浇注温度；②提高浇注压力。
（4）就铸件结构而言：① 在保证质量的前提下，尽可能减少铸件厚度；②降低结构复杂程度。
2.4解决方案：浇筑模型如下：则产生机械粘砂的临界压力p＝2?/r显然，r=1×0.1cm＝0.05cm22*1.5＝6000pa－40.5*10则p＝不产生机械粘砂所允许的压头为h＝p/（ρ液体*g）=2.5解：由stokes公式6000＝0.08米7500*102r2(r1－r)2上浮速度v＝9r为球形杂质半径，γ1为液态金属重度，γ2为杂质重度，η为液态金属粘度γ1＝g*ρ液＝10*7500＝75000γ2＝g2*ρmno＝10*5400＝5400022*（0.1*10-3）*（75000-54000），因此浮动速度v==9.5mm/s9*0.00493.1解决方案：（1）对于立方核，△ g平方=-a△ GV+6A？①令d△g方/da＝0即－3a△gv+12a?＝0，则*2三2临界核尺寸a=4/△ GV，明白吗=a*△gv，代入①4△g方＝－a△gv＋6a**3*2a*1*2△gv＝a△gv42*均质形核时a和△g方关系式为：△g方＝**1*3A.△ 球形核的GV2（2）△ g球=-*4*3*2πr△gv+4πr?3*临界核半径r=2/然后△ GV=球*2*3πr△gv3所以△g球/△g方＝**1*32*3πr△gv/（a）△gv）23*设置R*=2/△gv，a＝4？/△ 将GV代入上述公式以获得△g球/△g方＝π/6<1，即△g球****2*2.25*10－5*（1453＋273）－9解决方案3-7:R平均值=（2？LC/L）*（TM/△ T） =cm=8.59*10m1870*3196.6*△ g=平均值*一万六千三百二十二π?lc*tm/（l*△t）33216(2.25*10－5*104）*（1453＋273）－17＝π*＝6.95*10j 18703(*106)*31926.63.2答：从理论上来说，如果界面与金属液是润湿得，则这样的界面就可以成为异质形核的基底部，否则它不会工作。
第二章 纯金属的结晶答案
第二章纯金属的结晶(一) 填空题1．金属结晶两个密切联系的基本过程是形核和长大2 在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为凝固，通常把金属从一种结构的固态向另一种结构的固态的转变称为固态相变。
3．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核长大。
钢中常用的变质剂为V,Ti,Al。
变质处理常用于大铸件，实际效果较好。
4．铸锭和铸件的区别是。
铸锭是将熔化的金属倒入永久的或可以重复使用的铸模中制造出来的。
凝固之后，这些锭（或棒料、板坯或方坯，根据容器而定）被进一步机械加工成多种新的形状。
用铸造方法获得的金属物件，即把熔炼好的液态金属，用浇注、压射、吸入或其他方法注入预先准备好的铸型中，冷却后经落砂、清理和后处理，所得到的具有一定形状，尺寸和性能的物件。
5．液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是控制过冷度、变质处理、振动、搅动6．金属冷却时的结晶过程是一个放热过程。
7．液态金属的结构特点为短程有序。
8．如果其他条件相同，则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的细，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的粗，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的细，薄铸件的晶粒比厚铸件细。
9．过冷度是金属的理论结晶温度与实际结晶温度之差。
一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越细。
(二) 判断题1 凡是由液态金属冷却结晶的过程都可分为两个阶段。
即先形核，形核停止以后，便发生长大，使晶粒充满整个容积。
N2．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。
N3．近代研究表明：液态金属的结构与固态金属比较接近，而与气态相差较远。
( Y ) 4．金属由液态转变成固态的过程，是由近程有序排列向远程有序排列转变的过程。
( N ) 金属玻璃---如果液体金属急速地降温，获得极大过冷度，以至没有形核就将温到原子扩散难以进行的温度，得到固体金属，它的原子排列状况与液态金属相似，这种材料称为非晶态金属，又称金属玻璃。
5．当纯金属结晶时，形核率随过冷度的增加而不断增加。
金属凝固原理习题与答案
金属凝固原理习题与答案金属凝固原理习题与答案金属凝固是材料科学中的重要研究领域，也是金属加工和制备过程中不可或缺的一环。
在金属凝固过程中，涉及到许多基本原理和概念。
本文将通过一些习题来探讨金属凝固的原理，并给出相应的答案。
习题一：什么是金属凝固？答案：金属凝固是指金属在高温下由液态转变为固态的过程。
当金属被加热到其熔点以上时，金属原子开始逐渐失去自由度，形成有序的晶体结构，从而形成固态金属。
习题二：金属凝固的主要原理是什么？答案：金属凝固的主要原理是原子的有序排列。
在液态金属中，原子无序排列，而在固态金属中，原子有序排列成晶体结构。
这是因为在液态金属中，原子具有较高的热运动能量，可以自由移动，而在固态金属中，原子受到周围原子的束缚，只能在晶格中振动。
习题三：金属凝固的过程中有哪些因素会影响晶体的形成？答案：金属凝固的过程中，晶体的形成受到许多因素的影响，包括温度、凝固速率、合金成分等。
温度对晶体的形成有重要影响，较高的温度会使晶体生长得更快，而较低的温度会使晶体生长得更慢。
凝固速率也是影响晶体形成的重要因素，快速凝固会导致细小的晶体形成，而慢速凝固则有利于大晶体的生长。
合金成分对晶体形成也有重要影响，不同的合金成分会导致不同的晶体结构和形态。
习题四：金属凝固过程中，晶体的生长方式有哪些？答案：金属凝固过程中，晶体的生长方式主要有三种：平面生长、柱状生长和体内生长。
平面生长是指晶体在平面上逐渐生长，形成平坦的晶界；柱状生长是指晶体在某个方向上生长，形成柱状晶界；体内生长是指晶体在整个体积内均匀生长，没有明显的晶界。
不同的金属和凝固条件下，晶体的生长方式可能不同。
习题五：金属凝固过程中，晶体的缺陷有哪些？答案：金属凝固过程中，晶体的缺陷主要有晶格缺陷和晶界缺陷。
晶格缺陷是指晶体内部原子的位置偏离理想位置，包括点缺陷（如空位、间隙原子等）和线缺陷（如位错等）。
晶界缺陷是指晶体之间的界面上存在的缺陷，包括晶界错配、晶界位错等。
中南大学金属液态成性原理老师标记的课后题答案
中南大学金属液态成形原理老师标记的重点课后题答案P31．2.如何理解实际液态金属结构及其三种“起伏”特征？答：实际液态金属合金的结构式及其复杂的，它有大量各种成分的时聚时散，此起彼伏游动原子集团，空穴所组成，同时也含有各种固态，液态，气态杂质或化合物，而且还表现出能量，结构及浓度三种起伏特征。
三种起伏影响液态金属的结晶凝固过程，从而对铸件的质量产生重要的影响。
11.某飞机制造厂的一牌号Al-Mg合金机翼因铸造常出现浇不足缺陷而报废，。
请问可采取哪些措施来提高成品率？答：机翼铸造常出现“浇不足”缺陷可能是由金属液的充型能力不足造成的，可采取以下工艺提高成品率：（1）调整铸型性质。
使用小蓄热系数的铸型来提高金属液的充型能力；采用预热铸型，减小金属与铸型的温差，提高金属液充型能力。
（2）改善浇注条件。
提高浇注温度，加大充型压头，改善浇注系统结构，提高金属液的充型能力。
P53．1. 凝固速度对铸件凝固组织、性能与凝固缺陷的产生有重要影响。
试分析可以通过哪些工艺措施来改变或控制凝固速度？答：可以通过以下的工艺措施改变或控制凝固速度：①改变铸件的浇注温度、浇注方式以及浇注速度；②选用适当的铸型材料和预热温度；③在铸型中适当设置一些冒口、浇口等；④在铸型型腔内表面涂适当厚度与性能的材料。
3.何为凝固动态曲线？有何意义？答：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成的凝固体断面上，不同位置、不同时间达到同一温度的连线，称之为凝固动态曲线。
凝固动态曲线的意义：可以判断金属在凝固过程中两相区（凝固区）的宽窄，由两相区的宽窄判断凝固断面的凝固方式。
4.铸件凝固方式由哪些因素决定？凝固方式与铸件质量有何关系？答;影响铸件凝固方式的因素有合金凝固的温度区间和铸件断面的温度梯度两方面。
凝固方式分为三种：①逐层凝固方式对铸件质量的影响：流动性好，容易获得健全凝固体，液体补缩好，铸件组织致密，形成集中缩孔的倾向大；热裂倾向小，气孔倾向小，应力大，偏析严重。
材料科学基础习题与参考答案
第一章材料的结构一、解释以下基本概念空间点阵、晶格、晶胞、配位数、致密度、共价键、离子键、金属键、组元、合金、相、固溶体、中间相、间隙固溶体、置换固溶体、固溶强化、第二相强化。
二、填空题1、材料的键合方式有四类，分别是（），（），（），（）。
2、金属原子的特点是最外层电子数（），且与原子核引力（），因此这些电子极容易脱离原子核的束缚而变成（）。
3、我们把原子在物质内部呈（）排列的固体物质称为晶体，晶体物质具有以下三个特点，分别是（），（），（）。
4、三种常见的金属晶格分别为（），（）和（）。
5、体心立方晶格中，晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶面为（），晶胞中八面体间隙个数为（），四面体间隙个数为（），具有体心立方晶格的常见金属有（）。
6、面心立方晶格中，晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶面为（），晶胞中八面体间隙个数为（），四面体间隙个数为（），具有面心立方晶格的常见金属有（）。
7、密排六方晶格中，晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶面为（），具有密排六方晶格的常见金属有（）。
8、合金的相结构分为两大类，分别是（）和（）。
9、固溶体按照溶质原子在晶格中所占的位置分为（）和（），按照固溶度分为（）和（），按照溶质原子与溶剂原子相对分布分为（）和（）。
10、影响固溶体结构形式和溶解度的因素主要有（）、（）、（）、（）。
11、金属化合物（中间相）分为以下四类，分别是（），（），（），（）。
12、金属化合物（中间相）的性能特点是：熔点（）、硬度（）、脆性（），因此在合金中不作为（）相，而是少量存在起到第二相（）作用。
13、CuZn、Cu5Zn8、Cu3Sn的电子浓度分别为（），（），（）。
14、如果用M表示金属，用X表示非金属，间隙相的分子式可以写成如下四种形式，分别是（），（），（），（）。
凝固原理与铸造技术题目及答案解析
凝固原理与铸造技术复习题答案1、画出纯金属浇入铸型后发生的传热模型示意图，并简要说明其凝固过程的传热特点。
凝固过程的传热有如下一些特点：简单地说：一热、二迁、三传。
首先它是一个有热源的传热过程。
金属凝固时释放的潜热，可以看成是一个热源释放的热，但是金属的凝固潜热，不是在金属全域上同时释放，而只是在不断推进中的凝固前沿上释放。
即热源位置在不断地移动；另外，释放的潜热量也随着凝固进程而非线性地变化。
一热：有热源的非稳态传热过程，是第一重要的。
二迁：固相、液相间界面和金属铸型间界面，而这二个界面随着凝固进程而发生动态迁移，并使传热现象变得更加复杂。
三传：液态金属的凝固过程是一个同时包含动量传输、质量传输和热量传输的三传（导热、对流和辐射传热）耦合的三维传热物理过程。
其次，在金属凝固时存在着两个界面。
即固相、液相间界面和金属铸型间界面，而在这些界面上，通常发生极为复杂的传热现象。
2、一个直径为25cm的长圆柱形铸钢件在砂型和金属型中凝固：(l)当忽略铸件-铸型界面热阻时，它们的凝固时间各为多少？(2)当铸件-铸型的界面换热系数hi=0.0024J(cm2．s．℃)时，它们的凝固时间各为多少？计算用参数如表l -2所示，计算中假定钢水无过热度，并在一个固定的温度Tf 下凝固，同时假定铸型无限厚。
3、对于单元系而言，为什么高温时稳定的同素异性结构具有比低温时稳定的同素异性结构有较高的热焓，即H(γ -Fe)>H (α-Fe)?4、推导曲率引起的平衡温度改变的计算公式。
除压力外，表面曲率亦对平衡温度产生影响。
在凝固时，表面曲率对固相来说相当于增加了一项附加压力，这项附加压力是与界面张力相平衡的。
当任一曲面体的体积增加ΔV，面积增加ΔA时，附加压力ΔP与界面张力σ的关系为：由于曲率引起的平衡温度的改变为：5、二元合金的溶质平衡分配系数，除可以用热力学数据计算外，还可以用液相线斜率mL及结晶潜热ΔHm来计算。
金属学与热处理课后习题答案第三章.docx
第三章二元合金的相结构与结晶3-1 在正温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能呈树枝状生长，而固溶体合金却能呈树枝状成长？答：原因：在纯金属的凝固过程中，在正温度梯度下，固液界面呈平面状生长；当温度梯度为负时，则固液界面呈树枝状生长。
固溶体合金在正温度梯度下凝固时，固液界面能呈树枝状生长的原因是固溶体合金在凝固时，由于异分结晶现象，溶质组元必然会重新分布，导致在固液界面前沿形成溶质的浓度梯度，造成固液界面前沿一定范围内的液相其实际温度低于平衡结晶温度，出现了一个由于成分差别引起的过冷区域。
所以，对于固溶体合金，结晶除了受固液界面温度梯度影响，更主要受成分过冷的影响，从而使固溶体合金在正温度梯度下也能按树枝状生长。
3-2 何谓合金平衡相图，相图能给出任一条件下合金的显微组织吗？答：合金平衡相图是指在平衡条件下合金系中合金的状态与温度、成分间关系的图解，又称为状态图或平衡图。
由上述定义可以看出相图并不能给出任一条件下合金的显微组织，相图只能反映平衡条件下相的平衡。
3-3 有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的W Ni=90%，另一个铸件的W Ni=50%，铸后自然冷却。
问凝固后哪一个铸件的偏析严重？为什么？找出消除偏析的措施。
答：W Ni=50%铸件凝固后偏析严重。
解答此题需找到Cu-Ni合金的二元相图。
原因：固溶体合金结晶属于异分结晶，即所结晶出的固相化学成分与母相并不相同。
由Cu-Ni合金相图可以看出W Ni=50%铸件的固相线和液相线之间的距离大于W Ni=90%铸件，也就是说W Ni=50%铸件溶质Ni的k0（溶质平衡分配系数）高，而且在相图中可以发现Cu-Ni合金铸件Ni的k0是大于1，所以k0越大，则代表先结晶出的固相成分与液相成分的差值越大，也就是偏析越严重。
消除措施：可以采用均匀化退火的方法，将铸件加热至低于固相线100-200℃的温度，进行长时间保温，使偏析元素充分扩散，可达到成分均匀化的目的。
金属凝固原理思考题解答
金属凝固原理思考题1.外表张力、界面张力在凝固过程的作用和意义.2.如何从液态金属的结构特点解释自发形核的机制.答：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.3.从最大形核功的角度,解释d G/dr 0的含义.4.外表张力、界面张力在凝固过程和液态成形中的意义.5.在曲率为零时,纯锲的平衡熔点为1723K,假设锲的球形试样半径是1cmi 1pm以成其熔点温度各为多少△ H=18058J/mol, V=606cn3/mol ,①=255X 107J/cm26.(与第18题重复)证实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.答：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AG= (4：tr3AG/3)+4兀r2(r0临界晶核的半径为r*,由dAG/dr=0求得：r*=-26/ A G=26T m/L mA T,那么临界形核的功及形核功为：A G,^=16九//3 AG2=16TT(T 3T n2/3(L mA T)2.对于立方形晶核：同理推得临界半径形r*=-4"AG,形核功AC方=32(T3/ AG v2o那么A G^<A G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.7.用平面图表示,为什么晶体长大时,快速长大的晶体平面会消失,而留下长的速度较慢的平面.8.用相变热力学分析为何形核一定要在过冷的条件下进行.答：在一定温度下,从一相转变为另一相的自由能变化：AG=A H-TA So令液相到周相转变的单位体积自由能变化为：A G=&G L,(G S、G分别为固相和液相单位体积自由能).由G=H-S可知,A G= (H S-H L)—T(S S-S L)O由于恒压下,A H P=H-H L=—L m, A S=S^S L=— L/T m, (L m 为熔化热,A S m为熔化嫡).整理以上各式得：G V Lm T ,其中A T=T m-T o由上式可知：T m要使G V<0,必须使AT>0,即T<E, AT称为过冷度.相变热力学条件说明：实际凝固温度低于熔点温度,即形核一定在过冷的条件下进行.9.证实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.8 .试导出平衡凝固及液相完全混合条件下凝固时不与f s的关系.9. Ge-Ga锭中含有Ga10Ppm(质量分数),凝固速度R为8X10-6m/s,无对流现象,试绘出凝固后锭长度上的成分分布图,给出最初成分、最后过渡区的长度.设D L=5X10-5cn i/s, k 0=10.从溶质再分配的角度出发,解释合金铸件中宏观偏析形成的原因及其影响因素.12.根据成分过冷理论,阐述工艺和合金两个方面的因素对结晶形貌的影响方式.13.在揭示铸件内部等轴晶的形成机制和限制铸件凝固组织方面,大野笃美的实验有何意义.14.在片层状规那么共晶的生长过程中,界面上各组元原子的扩散运动规律及其与生长速度的关系.15.在长大速度一定的条件下,温度梯度G是否影响规那么共晶的片层间距原因何在答：影响.由于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,共品生长界面容易失稳.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,凸起局部不可能有较大伸展,于是形成胞状组织；当成分过冷区很大时,凸起局部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品或树枝晶尖端前沿液相内大量形核,从而转变为等轴晶.16.如何熟悉液态金属的结构特征,液态金属的结构特征对形核有何影响.17.试分析外表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.答：1、外表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, 这就导致一些液体外表上有些不规那么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,即所谓的液体外表张力,方向沿外表.向系统中参加异类原子能削弱系统原子间的结合能,结果导致外表能降低；一定温度下, 原子间的结合力越大,外表内能越大,外表自由能越高；外表能还与晶面有关,晶面为密排面时外表内能小.总之,原子间的结合力大的物质,其熔点和沸点越高,其外表张力也越大.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、Bo为形成一个A-B界面：将A、B分割为两个半球,断面积为1cm2,所需要的功为W A WB,将两个A-B结合体分开所作的功为2W B,而使它们再结合到一起所作的功为-2W A B,因此,产生两个A-B界面所作的功为：W =W A+ W B B -2W AB,因：WA=2T A；VBB=2T B,那么: T AB=T A+T B-W AB说明为使A-B结合体别离作功越大〔W B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.18.证实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T*L与f L的关系.答：证实,设球形半径为「1,立方形变长为「2,那么4冗「13/3=「23.对于球形：过冷液中出现一个晶胚时,总的自由能变化为AG= (4Ttr i3AG/3) +4冗「12(TO临界晶核的半径为r i*,由dAG/dr=0求得：r i*=-26/ A G=26T m/L m A T,那么临界形核的功及形核功为：A G球=16几底/3 AG2=16兀(T 3T m2/3(L m AT)2对于立方形：过冷液中出现一个晶胚时,总的自由能变化为AG=i23AG/+6r22(T,由dAG/dr=0求得：r；=-4 " A G.那么临界形核的功及形核功为：A G方=3263/AG2.那么A G^<A G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19.Al-Cu (w=1%合金于单向凝固中生长速度为3X10-4cm/s,完全没有对流(合金相图中C=33% (Cu), C sm=% (Cu), Tn=821K, k.和m 常数,D L=3X 10-5cm2/s.根据成分过冷判别关系,需要保持平界面前沿的温度梯度为多少,与稳定态下,液 -固界面的温度是多少20.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.答：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,为了提升形核率,可在熔液凝固之前参加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升.21.试分析在共晶结晶的过程中,动力学因素对共晶过程和组织有怎样的影响.。
金属凝固学课程考试试题(个人整理版)
金属凝固学课程考试试题（个人整理版）2014级硕士研究生课程考试试题考试科目名称：金属凝固原理一、名词解释（每个3分，共30分）河南科技大学(1)共晶团；（2)小晶面相；（3)均质形核；（4)生长过冷度；（5)溶质平衡分配系数；(6)临界晶核；（7)等轴枝晶；（8)成分过冷；（9)溶质再分配；（10)形核速率二、问答题（每题5分，共10分）1. 铸造铝硅合金变质处理，可以使共晶硅相细化和钝化，但只能使初生硅相细化，而不能改变其形态，为什么？2. 凝固过程中晶体的生长方式有哪些？不同生长方式的长大速度与生长过冷度的关系是怎样的？三、计算分析题（每题10分，共20分）1. 在成分为含GalOppm的Ge-Ga熔液中生长Ge-Ga晶体，对流边界层厚δ=0.005厘米，设液相扩散系数DL=5×10厘米/秒,溶质分配系数k=0.1，凝固速度为8×10厘米/秒。
问凝固到50%时形成的固相成分为多少？试绘制出凝固后沿锭子轴向的成分分布图。
-52-32. 通过热分析实验测得某共晶Zn-Al合金试样从开始结晶到结晶结束的时间为2s,对该试样进行定量金相统计，得到共晶团最大直径为0.22mm，层片间距为0.0023mm。
另有一共晶 Zn-Al合金试样，由于冷却速度太快，在热分析实验所得的冷却曲线上分辨不出试样开始结晶和结晶结束的时刻，但对该试样进行定量金相统计，得到共晶团最大直径为0.05mm, 层片间距为0.0005mm，试推算该试样从开始结晶到结晶结束的时间（Zn-Al合金中的共晶组织为“非小晶面相一非小晶面相”共晶四、综述题（每人选做一题，不能同题，40分）1. 查阅文献资料，综述有关液态金属结构的理论与实验结果。
2. 查阅文献资料，综述有关金属液固相变物理机制的研究成果。
3. 论述形核的热力学原理，以此为基础阐述孕育剂的作用。
4. 解析形核的动力学规律，以此为基础阐述孕育剂的作用。
5. 论述决定小晶面与非小晶面两种生长方式的热力学原理，以此为基础阐述变质剂改变晶体生长方式的机理。
金属凝固原理题（可编辑）
金属凝固原理题山东理工大学2008 年硕士研究生入学考试试题（A 卷）注意事项：本试题的答案必须写在规定的答题纸上，写在试题上不给分。
考试科目：金属凝固原理A一、是非判断题（每题2分，共20分）1 金属由固态变为液态时熵值的增加远远大于金属由室温加热至熔点时熵值的增加（）2 格拉晓夫准则数大表明液态合金的对流强度较小。
（）3 其它条件相同时，凹形基底的夹杂物不如凸形基底的夹杂物对促进形核有效。
（）4 大的成分过冷及强形核能力的形核剂有利于等轴晶的形成。
（）5 大多数非小平面-小平面共晶合金的共晶共生区呈现非对称型（）6 在拉伸过程中，溶解在金属晶格中的氢原子沿位错运动方向扩散并集中于显微空腔中，形成分子氢引起空腔内压力增高，从而加速微裂纹扩展，导致金属材料变脆，这种缺陷称为白点。
（）7 当液态金属与与铸型材料润湿时，容易形成粘砂。
（）8 根据相变动力学理论，液态原子变成固态原子必须克服界面能。
（）9 平方根定律对大平板、球体和长圆柱比较准确。
（）10 具有糊状凝固方式的合金容易产生分散缩孔。
（）二、填空题（共10空，每空4分，共40分）1 在一般铸造条件下，铸锭典型的宏观组织包括①、②、③三类。
2 根据组成相的晶体学生长方式，可将共晶合金分为④和⑤两种。
3 晶体的微观长大方式（原子堆砌方式）主要取决于⑥。
4 写出判断流体流动方式的雷诺数的表达式⑦。
5 按照凝固区域的大小，液态金属有三种凝固方式⑧、、。
6 由⑨和⑩共同作用而引起的过冷称为成分过冷。
三、简答题（共6题，每题5分，共30分）1．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．熔渣在熔炼过程中的作用？3．界面作用对人工复合材料的凝固有何影响？共2 页，第1 页4．写出气体在金属中溶解的平方根法则及其意义。
5．良好的晶粒细化剂应具备什么特征？6．简述润湿角对异质形核的影响。
四．综合分析及证明题（共5题，每题12分，共60分）1.Al-Cu 相图的主要参数为CE＝33%Cu, sm C =5.65％, Tm＝660℃,TE＝548℃。
材料成型原理课后答案第三章答案
第三章 金属凝固热力学与动力学1． 试述等压时物质自由能G 随温度上升而下降以及液相自由能G L 随温度上升而下降的斜率大于固相G S的斜率的理由。
并结合图3-1及式（3-6）说明过冷度ΔT 是影响凝固相变驱动力ΔG 的决定因素。
答：(1)等压时物质自由能G 随温度上升而下降的理由如下：由麦克斯韦尔关系式：V d P SdT dG +-=（1）并根据数学上的全微分关系：dy yF dx x F y x dF xy ⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫⎝⎛∂∂=),( 得：dPP G dT T G dG TP ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=（2）比较（1）式和（2）式得：V P G S T G TP=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂-=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂, 等压时dP =0 ，此时dT T G SdT dG P⎪⎭⎫⎝⎛∂∂=-= （3） 由于熵恒为正值，故物质自由能G 随温度上升而下降。
(2)液相自由能G L 随温度上升而下降的斜率大于固相G S 的斜率的理由如下： 因为液态熵大于固态熵，即： S L ＞ S S所以：＞即液相自由能G L随温度上升而下降的斜率大于固相G S 的斜率 。
(3)过冷度ΔT是影响凝固相变驱动力ΔG 的决定因素的理由如下：右图即为图3-1其中：V G ∆表示液－固体积自由能之差T m 表示液-固平衡凝固点从图中可以看出：T > T m 时，ΔG=Gs -G L ﹥0，此时 固相→液相 T = T m 时，ΔG=Gs -G L =0，此时 液固平衡 T < T m 时，ΔG=Gs -G L ＜0，此时 液相→固相 所以ΔG 即为相变驱动力。
再结合（3-6）式来看， mm V T TH G ∆⋅∆-=∆（其中：ΔH m —熔化潜热， ΔT)(T T m -=—过冷度）由于对某一特定金属或合金而言，T m 及ΔH m 均为定值， 所以过冷度ΔT 是影响凝固相变驱动力ΔG 的决定因素 。
2． 怎样理解溶质平衡分配系数K 0的物理意义及热力学意义？ 答：（1）K 0的物理意义如下：溶质平衡分配系数K 0定义为：特定温度T *下固相合金成分浓度C *S 与液相合金成分浓度C *L达到平衡时的比值：K 0 =**LSC C K 0＜1时，固相线、液相线构成的张角朝下，K 0越小，固相线、液相线张开程度越大，开始结晶时与终了结晶时的固相成分差别越大，最终凝固组织的成分偏析越严重。
凝固科学基础 习题二答案
《液态金属成型原理》习题二（第四章 第六章）1）砂型铸造下图所示圆柱形铸钢件（单位为mm）。
根据工艺需要加设冒口。
如凝固系数为0.9cm/min1/2，分别估算计算和不计算冒口时，铸件凝固完毕所需的时间。
根据Chvorinov法则，τ= （V/S）2/K2，不计算冒口时：38.7 min.计算冒口时45.8 min.2）砂型铸造一个二元合金铸件。
成分为8%B。
其相图如下。
合金凝固时液相被充分搅拌，忽略固相扩散。
共晶温度时α中溶解11.3%B。
C E=66%B。
问1）最后锭中是否有共晶组织？若有，占多少？2）根据晶体生长理论，绘出其凝固组织（铸态）示意图。
3）说明凝固组织是否稳态结构，如何得到稳态结构，绘出稳态组织示意图，说明理由。
[1] 若有共晶组织, 则最后凝固的C L = C E, 重量%为f E; 根据Scheil方程，C L=C0f L(k-1)，假设分配系数k为常数, k=11.3/66=0.171; 即有：f E= (C E/C0)1/(k-1) = (66/8)1/(0.171-1) =0.078 = 7.8%[2] 根据相图，在砂型铸造条件下，首先形成α枝晶。
由于合金凝固时液相充分搅拌，固相扩散不充分，不平衡凝固导致后凝固相溶质富集，最后7.8%液相达到C E，在初生α晶周形成共晶，如下左图示。
这种共晶组织可能是离异共晶，晶周形成单β，合金为α+β两相组织。
[3] 这种共晶组织为亚稳组织，高温退火可以得到下右图示稳态组织。
3）在确定合金成分后，能否从相图确定金属凝固组织？为什么？在确定合金成分后，不能仅仅根据相图确定金属凝固组织，理由如下：A．相图是平衡图，只能用于预测平衡凝固组织；B．在通常凝固条件下，由于动力学条件的限制，都是非平衡结晶；固、液相成分都偏离相图，常常出现亚稳相；工艺条件对凝固组织有强烈的影响。
4）生产需要分析下图示铸钢件的化学成分，请确定钻取化学分析试样的位置，说明原因。
凝固与组织控制原理作业答案
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凝固和组织控制原理课堂作业
第二节液态金属的结构和性质
1.名词解释
表面张力：金属液表面质点因受周围质点对其作用力不平衡，在表面液膜单位长度上所受的绷紧力，称表面张力
粘度：
液态金属充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力
液态金属的流动性：液态金属本身的流动能力称为流动性，它由液态金属的成分、温度、杂质的含量等决定，与外界因素无关。
2.简答
（1）液态金属的结构有何特点？
（2）1、有固定的体积。
2、有很好的流动性。
3、各种物理化学性质接近于固态，而远离气态。
（3）详述影响液态金属充型能力的因素。
内因：自身流动性
（1）金属的密度ρ1；（2）金属的比热容c1；
（3）金属的导热系数λ1；（4）金属的结晶潜热L;
（5）金属的粘度η; （6）金属的表面张力σ;
（7）金属的结晶特点。
外因：型的性质、
（1）铸型的蓄热系数b2；（2）铸型的密度ρ2 ；
（3）铸型的比热容C2；（4）铸型的导热系数λ2；（5）铸型的温度；（6）铸型的涂料层；
（7）铸型的发气性和透气性。
浇注条件、
（1）液态金属的浇注温度;
（2）液态金属的静压头H;
（3）浇注系统中压头损失总合;
（4）外力场（压力、真空、离心、振动等）。
铸件结构
（1）铸件的折算厚度R
R=V（铸件的体积）/S（铸件的散热表面积）
或R=F（铸件的断面积）/P（断面的周长）
（2）由铸件结构所规定的型腔的复杂程度引起的压头损失Σh.。
纯金属的凝固答案
第三章纯金属的凝固本章主要内容:液态金属的结构；金属结晶过程：金属结晶的条件，过冷，热力学分析，结构条件晶核的形成：均匀形核：能量分析，临界晶核，形核功，形核率，非均匀形核：形核功，形核率晶体的长大：动态过冷度（晶体长大的条件），固液界面微观结构，晶体长大机制，晶体长大形态：温度梯度，平面长大，树枝状长大、结晶理论的应用实例：铸锭晶粒度的控制，单晶制备，定向凝固，非晶态金属一、填空仁在液态金属中进行均质形核时，需要结构起伏和_______ 能量起伏。
1. 金属凝固的必要条件是______________ 过冷度和能量起伏 _________________ 。
2. 细化铸锭晶粒的基本方法是：（1）—控制过冷度，（2）变质处理，（3）振动、搅拌等_______5、形成临界晶核时体积自由能的减小只能补偿新增表面能的____________ 2/3 ____ 。
6、液态金属均质形核时，体系自由能的变化包括（体积自由能）和（表面自由能）两部分，其中一表面 ____-2；九r = 自由能是形核的阻力，体积—自由能是形核的动力；临界晶核半径「K与过冷度厶T呈—反比_ L m.I T _关系，临界形核功△ G K等于—3（Lm也T）表面能的1/3—。
7动态过冷度是_________ 晶核长大时固液界面（前沿）的过冷度___。
8在工厂生产条件下，过冷度增大，则临界晶核半径—减小—，金属结晶冷却速度越快，N/G比值—越大_____________________ ，晶粒越纟旺_小。
9 制备单晶的基本原理是—保证一个晶核形成并长大一—，主要方法有_尖端成核法和—垂直提拉法。
10.获得非晶合金的基本方法是___________ 快速冷却 _____________ 。
11铸锭典型的三层组织是__________ 细晶粒区___________ ,—柱状晶区_______ , 等轴晶区_____ 。
12纯金属凝固时，其临界晶核半径的大小、晶粒大小主要决定于过冷度___________________ 。