第三章 纯金属的凝固

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

陶瓷、聚合物的凝固

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

1.填空

1.. 在液态金属中进行均质形核时，需要________起伏和___________能量起伏。

2.金属凝固的必要条件是_____________________________。

3.液态金属凝固时，均质形核的条件是：（1）

_________________________________；（2）

_______________________________，（3）

___________________________________。

4.细化铸锭晶粒的基本方法是：（1）_______________________，（2）

____________________，（3）___________________________。

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________。

6 液态金属均质形核时，体系自由能的变化包括两部分，其中_____________

自由能是形核的阻力，______________自由能是形核的动力；临界晶核半径r

K

等于___________________。

与过冷度 T呈_________关系，临界形核功 G

K

7 动态过冷度是_______________________________________________。

8 在工厂生产条件下，过冷度增大，则临界晶核半径_____，金属结晶冷却速度

越快，N/G比值___________，晶粒越___。

9 制备单晶的基本原理是_____________________________，主要方法有

_____________法和______________法。。

10. 获得非晶合金的基本方法是_____________________________。

11 铸锭典型的三层组织是______________, __________________,

___________________。

12 根据凝固理论，为了细化铸锭晶粒，对于小尺寸的铸锭一般可采用

____________方法，对于大尺寸的铸锭则采用_______________方法。

13 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

______________________。

14 液态金属凝固时，异质形核需要的过冷度比均质形核小，这是因为_____。

（异质形核时固相质点可作为晶核长大，其临界形核功较小。）

2 名词解释

过冷度，临界晶核，临界晶核半径，自发形核，能量起伏，形核功，形核率，变质处理，

柱状晶带，等轴晶，异质形核，非晶态金属

3 判断

1 纯金属中含有少量杂质在热力学上是稳定的。（）

2 临界半径r

K

大小仅与过冷度有关。（）

3 液态金属凝固时，临界晶核半径与过冷度成反比。（）

4 在液态金属中形成临界晶核时，体系自由能的变化为零。（）

5 任何温度下液态金属中出现最大结构起伏是晶胚。（）

6 任何过冷度下液态金属中出现的最大结构起伏却是晶核。（）

7 湿润角θ =180 时，异质形核最容易进行。（）

8 枝臂间距是指相邻两树枝晶一次轴之间的距离。（）

9 为了细化晶粒，工艺上采用增大过冷度的方法，这只对小件或薄件有效，而对较大厚壁铸件并不适用。（）

10 从非均匀形核计算公式：A

非均匀=A

均匀

（2-3cosθ+cos3θ）/4看出当θ=00时固相

杂质相当于现成的大晶核。（）

11 理论凝固温度与固/液界面处温度之差，称为动态过冷度。（）

12 动态过冷度是指结晶过程中实际液相温度熔点之差。（）

13 液态金属结晶时，其临界晶粒半径rK是不变的恒定值。（）

14液态金属结晶时，其理论结晶温度与固/液界面处温度之差称为临界过冷度。（）

4 问答

1 根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。

2 试根据凝固理论，分析通常铸锭组织的特点。

3 试说明在铸锭中获得细等轴晶组织可以采取的措施。

4 回答液态金属凝固时均质形核的有关问题：

（1）写出临界晶核半径γ

k

的表达式；

（2）画出γ

k

与过冷度∆T的关系曲线示意图；

（3）写出形核功∆G

k

与临界晶核界面能的关系式；

（4）简述均质形核的必要条件。

5 简述液态金属结晶时，过冷度与临界晶粒半径，形核功及形核率的关系。

6 简述湿润角θ，杂质粒子的晶体结构和表面形态对异质形核的影响。

7 铜的熔点Tm=1356K，熔化热 Hm=1628J/cm2，σ=177erg/cm2，点阵常数

a=0.3615nm。求铜 T=100 时均匀形核的临界核心半径和每个临界核心的原子数目。

8 欲获得铸锭整个断面为细等轴晶或整个断面为柱状晶，各需要采取哪些措施？

9：何谓过冷，过冷度，动态过冷度，它们对结晶过程有何影响？

10：根据冷却速度对金属组织的影响，现要获得微晶，非晶，亚稳相，请指出其凝固时如何控制。

1.填空

1. 在液态纯金属中进行均质形核时，需要起伏和起伏。

2 液态金属均质形核时，体系自由能的变化包括两部分，其中自由能是形核的

阻力，是形核的动力；临界晶核半径r

K 与过冷度 T关系为，临界形核功 G

K

等

于。

3 动态过冷度是指。