工程材料习题集参考答案(第三章)武汉理工大学,2014年

习题集部分参考答案
2纯金属的结晶
思考题
1.何谓结晶？结晶与凝固有何区别？
答：结晶是指在凝固过程中金属内形成许多小晶体及其长大的过程，从广义上讲，就是液态物质内部的原子，在短距离小范围内，呈现出近似于固态结构的规则排列，即短程有序的原子集团，它是不稳定的，瞬间出现又瞬间消失，结晶实质上是原子由近程有序转变为长程有序的过程。

而凝固是指金属由液态变成固态的过程，它属物理变化，若凝固后的物质不是晶体，而是非晶体，那只能称为凝固，而不能称为结晶。

2.何谓晶体，它与非晶体有什么区别？
答：晶体是指具有一定几何形状的微粒（分子、原子或离子）在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质。

晶体和非晶体的区别在于内部原子的排列方式，晶体内部的原子（或分子）在三维空间按一定规律作周期性排列，而非晶体内部的原子（或分子）则是杂乱分布的，至多有些局部的短程规律排列。

因为排列方式的不同，性能上也有所差异。

晶体有固定的熔点，非晶体没有，晶体具有各向异性，而非晶体则是各向同性。

3.影响形核率和长大率的因素是什么？
答：影响形核率和长大率最主要的因素是△G和D，当然它们是受过冷度△T控制的。

在均质形核中，过冷度△T不太大的时候，结晶的驱动力△G也不大，形核率不高，但是原子的扩散系数D比较大，已经形成的晶核长大速率却是较大的，这时候由液态金属转变为固态金属中的晶粒尺寸较大。

反之，晶粒较细小。

在非均质形核中，形核率和长大速率除了与过冷度有关之外，还受到所谓的未溶杂质以振动或搅拌等因素的影响。

4.金属的结晶有什么规律？
答：结晶是由两个基本的过程——形核和长大相互更迭进行，直至液态金属消耗完毕的过程。

形核规律：形核方式有均匀形核和非均匀形核两种。

均匀形核（均质形核）是指在母相中自发形成新相结晶核心的过程。

均匀形核必需具备的条件为：必须过冷，过冷度越大形核驱动力越大；必须具备与一定过冷度相适应的能量起伏和结构起伏。

实际结晶时，大多以非均匀形核方式进行。

结晶时常常依附在液体中的外来固体表面上(包括容器壁)形核。

非均匀形核比均匀形核所需要的形核功要小，它可以在较小的过冷度下发生，形核容易。

长大规律：晶核长大过程实质就是原子由液态转变到到固态晶体上的过程。

液—固界面按微观结构可分为两种，即光滑界面和粗糙界面。

晶核长大也需要过冷度，长大所需的界面过冷度被称为动态过冷度，具有光滑表面的物质，其动态过冷度约为1～2℃。

具有粗糙界面的物质，
其动态过冷度仅为0.01～0.05℃。

具有粗糙界面的物质，界面上有一半的结晶位置空着，液相中的原子可直接迁移到这些位置使晶体整个界面沿法线方向向液相中长大。

有光滑界面的物质的长大机制有界面上反复形成二维晶核和依靠晶体缺陷长大二种。

5.纯金属的结晶必须满足哪几个条件？
答：纯金属的结晶必要满足二个条件。

一是能量条件，必须在一定的过冷度下进行；二是结构条件，液态金属中必须存在结构起伏现象，它是结晶时产生晶核的基础。

6.晶核长大的方式有哪几种？
答：晶核的长大有两种方式：平面长大和树枝状张大。

平面张大：当冷却速度较慢时，金属晶体以其表面向前平行推移的方式长大，不同晶面垂直方向上的长大速度不同。

沿密排面的垂直方向上的长大速度最慢，而非密排面的垂直方向上的长大速度较快。

平面长大的结果后晶体表面呈密排面规则形状。

树枝状长大：当冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热条件比面上的优越，因而长大较快，成为伸入到液体中的晶枝。

优先形成的晶枝称一次晶轴，在一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧面生出新的晶枝，即二次晶轴。

而后又生成三次晶轴、四次晶轴。

结晶后得到具有树枝状的晶体。

实际金属结晶时，晶核多以树枝状长大方式长大。

习题
1.名词解释
凝固；过冷现象；变质处理；同素异构转变；重结晶。

答：凝固：金属由液态转变为固态的过程。

过冷现象：金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，这种现象叫过冷现象。

变质处理：在金属浇注前往液态金属中加入少量可以作为变质剂的物质（某种元素或化合物），用以增加结晶时异质形核的核心。

同素异构转变：某些金属在不同的温度和压力下呈现出不同类型的晶体结构，这种
现象称为同素异构转变。

重结晶：金属的同素异构转变亦称为重结晶。

2.在一般工业条件下，过冷度越大，晶体长大速率越大，晶粒长得就越粗大，这种说法对吗？为什么？
答：不对。

在一般工业条件下，在较大的过冷度下结晶，形核率可以大大增加而成长率增加较少，因而晶粒越细，而不是使晶粒长得粗大。

3.何为过冷度？为什么金属结晶要有一定的过冷度？
答：过冷度是指平衡结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。

根据热力学第二定律，在等温等压条件下，一切自发过程都朝着使系统自由能降低的方向进行。

从液、固金属自由能G与温度T的关系曲线可知，二曲线相交点对应的温度称为平衡结晶温度。

只有当实际结晶温度低于平衡结晶温度时，结晶才有驱动力，才能结晶。

4.金属在结晶时，影响晶粒大小的主要因素是什么？
答：金属结晶时影响晶粒大小的主要因素是形核率N和长大速度G。

增加过冷度、进
行变质处理、振动和搅拌都可以提高形核率。

使晶粒细化。

5.如果其他条件相同，比较在下列条件下铸件的晶粒大小。

（1）金属型铸造与砂型铸造；（2）铸成薄壁件和铸成厚壁件；（3）高温浇筑与低温浇筑；（4）浇注时采用振动和不采用振动。

答：（1）金属型铸造较砂型铸造散热快，过冷度大，因此金属型铸造的金属晶粒小。

（2）薄壁件较厚壁件散热快，过冷度大，因此薄壁件铸造的金属晶粒小。

（4）振动一方面可依靠外面输入能量促使晶核提前形成，另一方面可是成长中的枝晶破碎，增加晶核数量，显著提高形核率。

因此采用振动进行浇筑晶粒小。

6.何谓同素异晶转变？同素异晶转变又称重结晶，重结晶与结晶有何异同？
答：同素异晶转变是指某些金属在结晶之后继续冷却或由固态加热直至熔化前会发生晶体结构的变化，从一种晶格转变为另外一种晶格的现象。

重结晶与结晶有何异同的异同点：
（1）它们都是所谓的“结晶”过程，要满足两个条件（起伏），同样要完成生核和核长大的基本过程。

（2）结晶是在液态金属中满足两个起伏的位置形成晶核；重结晶的形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）；
（3）重结晶是在固态下发生的转变，相对于结晶原子的扩散较为困难，转变时时需更大的△T，晶粒较细；
（4）重结晶伴随有体积变化（致密度或比容不同），会产生组织内应力。

7.过冷度与过冷速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？
答：过冷度和冷却速度是二个不同的概念。

过冷度是指平衡结晶温度与实际结晶温度之差，而冷却速度是指金属在冷却过程中的快慢程度。

提高金属凝固时的冷却速度可以增大金属在结晶时的过冷度。

过冷度增加，形核率增大，单位时间单位体积中的晶核数量就越多，晶粒就越细。

8.在铸造生产中，采用哪些措施可以控制晶粒大小？在生产中如何应用变质处理？举例说明。

答：在铸造生产中，控制晶粒大小的方法有：（1）控制过冷度。

（2）变质处理。

（3）振动（机械、电磁和超声波等）处理。

（4）搅拌。

在生产中，在金属浇注前往液态金属中加入少量变质剂（某种元素或化合物），可以细化晶粒，如在铝合金中加入钛、锆、钒等微量元素，单位面积中的晶粒数明显增加。

铸铁中加入硅钙、硅铁合金，能使组织中的石墨细化。

9.晶粒大小对力学性能有何影响？
答：常温工作下的金属，晶粒越细，其强度、硬度就越高，而且塑性、韧性也越好。

例如纯铁的晶粒平均直径从9.7mm减少到2.5mm后，抗拉强度从165MPa提高到211MPa,伸长率也从28.8%提高到39.5%。