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金属凝固理论重点总结

金属凝固理论复习资料

一、名词解释

1.能量起伏：金属晶体结构中每个原子的振动能量不是均等的，一些原子的能量超过原子

的平均能量，有些原子的能量则远小于平均能量，这种能量的不均匀性称为“能量起伏”

2.结构起伏：液态金属中的原子集团处于瞬息万变的状态，时而长大时而变小，时而产生

时而消失，此起彼落，犹如在不停顿地游动。这种结构的瞬息变化称为结构起伏。

3.浓度起伏：不同原子间结合力存在差别，在金属液原子团簇之间存在着成分差异。这种

成分的不均匀性称为浓度起伏。

4.熔化潜热:将金属加热到至熔点时，金属体积突然膨胀，等于固态金属从热力学温度零

度加热到熔点的总膨胀量，金属的其他性质如电阻，粘性等发生突变，吸收的热能。

5.充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰的铸件的能力。

6.成分过冷：由溶质再分配导致的界面前方熔体成分及其凝固温度发生变化而引起的过

冷。

7.热过冷：仅由熔体实际温度分布所决定的过冷状态称为热过冷

8.宏观偏析：又称长程偏析或区域偏析，指较大范围内的化学成分不均匀现象，表现为铸

件各部位之间化学成分的差异。

9.微观偏析：微观偏析是指微小范围（约一个晶粒范围）内的化学成分不均匀现象，按位

置不同可分为晶内偏析（枝晶偏析）和晶界偏析。

10.微观偏析

（1）晶内偏析：在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于有一定结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。

（2）晶界偏析：溶质元素和非金属夹杂物富集与晶界，使晶界和晶内的化学成分出现差异。它会降低合金的塑性和高温性能，又会增加热裂倾向。

11.宏观偏析：

（1）正常偏析：当合金溶质分配系数k<1时，凝固界面的液相中将有一部分被排出，随着温度的降低，溶质的浓度将逐渐增加，越是后来结晶的固相，溶质浓度越高，当k>1时相反。正常偏析存在使铸件的性能不均匀，在随后的加工中难以消除。

（2）逆偏析：即k<1时，铸件表面或底部含溶质元素较多，而中心部分或上部分含溶质较少。

（3）V形偏析和逆V形偏析：常出现在大型铸锭中，一般呈锥形，偏析中含有较高的碳以及硫和磷等杂质。

（4）带状偏析：它总是和凝固的固-液界面相平行。

（5）重力偏析：由于重力的作用而出现化学成分不均匀的现象，常产生于金属凝固前和刚刚开始凝固之际。

枝晶偏析：由于固溶体合金多按枝晶方式生长，分支本身分支与分支间的成分是不均匀的，故称为~。

12.正偏析：指溶质含量高于其平均溶质含量的区域

13.负偏析：降低该区的溶质浓度，使该区C5降低，产生的偏析。（溶质含量低于其平均溶

质含量的区域）

14.重力偏析：由于沿垂直方向逐层凝固而产生的正常偏析和固液相之间或互不相容的液相

之间有的密度不同，在凝固过程中发生沉浮现象造成的。

15.过热度：指金属熔点与液态金属温度之差。

16.过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度

17.正吸附：当表面张力随溶液浓度升高而下降时,表面吸附量为正值,即为正吸附

18.负吸附：当表面张力随溶液浓度升高而增加时，表面吸附量为负值，即为负吸附。

19.热裂：铸件在凝固期间或刚凝固完毕，在高温下收缩受到阻碍产生的现象。

20.冷裂：铸件应力超出合金强度极限而产生的现象。

21.铸造应力：铸件在凝固或冷却过程中，发生线收缩，有些合金还发生固态相变，引起体

积的膨胀或收缩时产生的应力。

22.顺序凝固：铸件结构各部分，按照远离冒口的部分最先凝固，然后是靠近冒口部位，最

后是冒口本身凝固的次序进行的凝固方式

23.同时凝固：铸件各部分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时进行凝固的方式。

24.析出性气孔：金属液在凝固过程中，因气体溶解度下降而析出气体，形成气泡未能排除

而产生的气孔。

25.反应性气孔：金属液与铸型之间，金属与熔渣之间或金属液内部某些元素、化合物之间

发生化学反应所产生的气孔。

26.流动性：液态金属本身的流动能力，是金属的铸造性能之一，与金属的成分温度杂质含

量及其物理性质有关。

27.粗糙界面：界面固相一侧的点阵位置只有50%左右为固相原子所占据，这些原子散乱的

随机分布在界面上形成一个坑坑洼洼呕吐不平的界面层。

28.平整界面：固相表面的点阵位置几乎全部为固相原子所占据，只留下少数空位或在充满

固相原子的界面上存在有少数不稳定的孤立固相原子从而形成了一个总的来说平整光滑的界面。

29.一次氧化物：金属熔炼过程中及炉前处理中产生的氧化物称为一次氧化物。

30.二次氧化物：金属液在浇注及充填铸型过程中产生的氧化物称为二次氧化物。

31.近程有序排列：金属液体则由许多原子集团所组成，在原子集团内保持固体的排列特征，

而在原子集团之间的结合处则受到很大破坏。这种仅在原子集团内的有序排列称为近程有序排列。

32.粘滞性：在流体力学中有两个概念，一个是动力粘度，另一个是运动粘度。

33.表面张力：液态金属表面层的质点受到一个指向液体内部的力，物体倾向于减小其表面

积，这相当于在液态金属表面有一个平行于表面且各向大小相等的张力，这个张力就是表面张力。

34.机械阻碍应力：铸铁件冷却到弹性状态后，由于收缩受到弹性阻碍而产生机械阻碍应力。

它可表现为拉应力和压应力，当机械阻碍一经消除应力也随之消失，所以它是一种临时应力。

二、问答题

1.液态金属的停止流动机理

纯金属和窄结晶温度范围合金停止流动的过程可以分为以下几个阶段:

(a)过热量未完全散失前为纯液态流动。(b)冷的前端在型壁上凝固结壳。(c)后边

的金属液在被加热的管道中流动，冷却强度下降。如图２—４ｃ所示，由于液流通过I 区终点时，尚有一定的过热度，将已经凝固的壳重新熔化，为第II区。所以，该区是先形成凝固壳，又被完全熔化。第III区是末被完全熔化而保留下来的一部分固相区，在该区的终点金属液耗尽了过热热量。在IV区，液相和固相具有相同的温度——结晶温度。

由于在该区的起点处结晶开始较早，断面上结晶完毕也较早，往往在它附近发生堵塞。

前端液态金属凝固收缩，形成吸力，产生喇叭状缩孔。

宽结晶温度范围的合金停止流动的过程可以分为以下几个阶段：

(a)有过热，纯液态流动。(b)温度低于液相线，析出晶体。析出的晶体顺流前进，并不

断长大。前端冷却快，晶粒粗大。(c)前端晶粒达到一定数量，结成一个连续的网络，阻碍后边的液态金属流动，流动停止。所联成的网受到后面液态金属向前的推力，造成前突特征。

2.液态金属的停止流动机理

纯金属、共晶合金、窄结晶温度范围合金：型壁处凝固结壳，柱状晶相接触，通道中心合并，流动停止

合金的结晶温度范围越宽，枝晶就越发达，液流前端出现较少的固相量，通道阻塞，亦即在相对较短的时间内，液态金属便停止流动。

纯金属、共晶合金或窄结晶温度范围合金有良好的流动性，降低了凝固成形中冷隔、热裂、缩松等缺陷的产生。反之，宽结晶温度范围合金由于流动性差，往往会有较多的缺陷产生。

3、试分析中等结晶温度范围的合金停止流动机理。

答：过热能量散失尽以前，金属液也可以纯金属液态流动。温度下降到液相线以下，首先生成了一批小晶粒，在型壁上长成细而长的柱状晶，空隙的液体继续流，流动过程继续生长柱状晶，在液体温度不段下降时，出现等轴晶，阻塞通道。介于两者之间，出现枝状晶时，温度不产生大量晶粒，但是生长到一定程度，等轴晶大量析出。

4、采用高温出炉，低温浇铸的工艺措施，为什么可提高合金的流动性？

答：高温出炉：使一些难熔的质点熔化，未熔的质点和气体在浇包中镇静有机会上浮而使金属净化，提高流动性。

低温浇铸，一般来讲，浇铸温度越高，充型能力越强但是温度过高，会使金属吸气更多，氧化严重，充型能力幅度减小，所以最好是，高温出炉，低温浇铸。5、高温出炉，低温浇注为什么可以改善铸件性能

因为提高金属液的出炉温度有利于夹杂物的彻底熔化、熔渣上浮，便于清渣和除气，减少铸件的夹渣和气孔缺陷；

采用较低的浇注温度，则有利于降低金属液中的气体溶解度、液态收缩量和高温金属液对型腔表面的烘烤，避免产生气孔、粘砂和缩孔等缺陷。因此，在保证充满铸型型腔的前提下，尽量采用较低的浇注温度。

6.试应用凝固动态曲线分析铸件的凝固特征，根据铸件的动态凝固曲线能否判

断其停止流动的过程。

答：①某一时刻的各区宽度，L、L+S、S、L+S宽度分别为，逐层、体积、中间凝固方式。

②结壳早晚：

停止流动的过程：

两线重合或垂直距离小，流动管道中晶体长大阻塞而停止流动。

结壳晚

结壳早结壳正常

两线垂直距离大，液体中析出晶体较多，连成网络而阻塞。

两线垂直中等，管道壁有一部分柱状晶，中心有等轴晶，使剩余的液体停止流动。

7如何由实验确定单相合金的动态凝固曲线？单相合金的凝固区间结构特点及其对缩孔缩松，热裂等铸造缺陷的影响。

图4-6为凝固动态曲线，它是根据直接测量的温度—时间曲线绘制的。首先在图4-6a上给出合金的液相线和固相线温度，把二直线与温度—时间相交的各点分别标注在图4-6b的(x / R ，τ)坐标系上，再将各点连接起来，即得凝固动态曲线。纵坐标x是铸件表面向中心方向的距离，R是铸件壁厚之半或圆柱体和球体的半径。由于凝固是从铸件壁两侧同时向中心进行，所以当x / R=1时表示已凝固至铸件中心。图4-6c为根据凝固动态曲线绘制的自测温度开始后2分20秒的凝固状况。根据凝固动态曲线可以获得任一时刻的凝固状态。

8试述液态金属的充型能力和流动性之间在概念上的区别，并举例说明。

答：液态金属的充型能力：充满铸型型腔，获得形状完整轮廓清晰的铸件能力。影响因素：金属液体的流动能力，铸型性质，浇铸条件，铸件结构。

流动性：

液态金属本身的流动能力，与金属本身有关：成分，温度，杂质物理性质。

其流动性一定，但充型能力不高，可以改变某些因素来改变，流动性是特定条件下的充型能力。

9充型能力与流动性的联系与区别：

充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。即液态金属充填铸型的能力。充型能力与金属液本身的流动能力及铸型性质等因素有关。是设计浇注系统的重要依据之一。

流动性：液态金属本身流动的能力。流动性与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。

充型能力与流动性的关系：充型能力是外因（铸型性质、浇注条件、铸件结构）和内因（流动性）的共同结果。外因一定时，流动性就是充型能力。

充型能力弱，则可能产生浇不足、冷隔、砂眼、铁豆、抬箱，以及卷入性气孔、夹砂等缺陷。

10影响充型能力的因素及提高充型能力的措施：

第一类因素金属性质方面的因素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。

第二类因素铸件性质方面的因素1）铸型的蓄热系数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。第三类因素浇注条件方面的因素：1）液态金属的浇注温度t浇；2）液态金属的静压头 H；3）浇注系统中压头损失总和；4）外力场（压力、真空、离心、振动等）。

第四类因素——铸件结构方面的因素: 1）铸件的折算厚度 R；2）由铸件结构所确定的型腔的复杂程度引起的压头损失。

措施：金属方面（1）正确选择合金的成分（2）合理的熔炼工艺。铸型方面：调整铸型，减小铸型中气体反压力（降低型砂中的含水量和发气物质的含量，提高砂型的透气性）浇注条件方面（1）浇注温度（2）充型压头（3）浇注系统的结构。铸件结构方面（1）折算厚度大（2）铸件的复杂程度。

11、怎么从相变理论理解液态金属结晶过程中的生核、成长机理？

答：相变理论：相变时必须具备热力学和动力学条件。

金属结晶属一种相变过程：

热力学条件即过冷度TΔ——驱动力ΔGV

动力学条件：克服能障

热力学能障——界面自由能——形核

动力学能障——激活自由能ΔGA——长大

若在体系内大范围进行，则需极大能量，所以靠起伏，先生核——主要克服热力学能障，然后出现最小限度的过渡区“界面”，此界面逐渐向液相内推移——长大（主要克服动力学能障）。

12合金结晶过程中的溶质再分配：

从生核开始直到凝固结束，在整个结晶过程中，固、液两相内部将不断进行着溶质元素的重新分布的过程。结晶是一个非平衡过程，对于平整界面有偏差，所以不仅由Ko决定。证明Ko为常数：Ko=C*s/C*l=(To/Ks)/(To/Kl)。两直线斜率比为常数。

13、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。

影响溶质再分配的因素有热力学条件和动力学条件。

14、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）晶体的生长方式除受成分过冷的影响外，还受到热过冷的影响。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。

15.热过冷和成分过冷

仅由熔体实际温度分布所决定的过冷状态称为热过冷。由溶质再分配导致界面前方熔体

成分及其凝固温度发生变化而引起的过冷称为成分过冷。

热过冷与成分过冷之间的根本区别是前者仅受传热过程控制，后者则同时受传热过程和

传质过程制约。在晶体生长过程中，界面前方的热过冷只不过是成分过冷在 Co ＝0 时的一

个特例而已，两者在本质上是一致的。

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。

成分过冷判据：000

m (1)L L C k G R D k -<- 16、影响成分过冷的因素有哪些？它对材质或成型产品（铸件）的质量有何影

响？

影响成分过冷范围的因素有：

成分过冷的条件 v G L <0

00)1(k D k C m L L －；

成分过冷的范围为 △＝000)1(k D k C m L L －－v

G L ，

上式中，00k C m L 、、为不变量，所以影响成分过冷范围的因素只有D L 、G L 和v 。

对于纯金属和一部分单相合金的凝固，凝固的动力主要是热过冷，成分过冷范围对成形

产品没什么大的影响；对于大部分合金的凝固来说，成分过冷范围越宽，得到成型产品性能

越好。

17界面前方过冷状态对结晶过程的影响：

（1）热过冷对纯金属结晶过程的影响：1）界面前方无热过冷下的平面生长2）热过冷作用

下的枝晶生长（2）成分过冷对一般单相合金结晶过程的影响：无成分过冷，平面生长；成

分过冷的出现和增大，胞状生长-枝晶生长-新的晶核并不断长大，由柱状枝晶的外生生长到

等轴枝晶的内生生长。一般单相合金结晶时的界面生长方式和晶体结构形态取决于工艺条件

和成分条件共同作用下的成分过冷。

18何谓过冷度？为什么它是液态金属凝固的驱动力？

过冷度就是平衡结晶温度与实际结晶温度之差，即△T=To-T.△Gv=GL-Gs 只有当

△Gv>0,即GL>Gs 时结晶才能进行，所以说△Gv 就构成了相变的驱动力，△

Gv=L(1-T/To)=L △T/To,△Gv 的大小决定于△T ，L 与To 均为定值，因此液态金

属结晶的驱动力是由过冷度提供的。 19 如何认识“外生生长”与“内生生长”？由前者向后者转变的前提是什么？

仅仅由成分过冷因素决定吗？

外生生长：晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式，称为“外生生长”。平面

生长，胞状生长河柱状树枝晶生长都属于外生生长。

内生生长：等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为内生生长。

如果成分过冷在远离界面处大于异质形核所需过冷度，就会在内部熔体中产生新的晶核，造

成内生生长，使得自由树枝晶在固液界面前方的熔体中出现。

外生生长向内生生长的转变的前提是：成分过冷区的进一步加大。

决定因素：外生生长向内生生长的转变是由成分过冷的大小和外来质点非均质生核的能力这

两个因素所决定的。大的成分过冷和强生核能力的外来质点都有利于内生生长并促进内部等

轴晶的形成。

20试分析能量起伏和浓度起伏在在生核中的作用。

答：生核时必须有一定大小的晶胚，这需能量起伏，使原子集团达到一定大小才

能成核。而浓度起伏对二相以上液态金属成核很重要，一定的浓度起伏才可能瞬

时达到某一相的要求。

21. 均质生核机制必须具备以下条件：

1) 过冷液体中存在相起伏，以提供固相晶核的晶胚。

2) 生核导致体积自由能降低，界面自由能提高。为此，晶胚需要体积达到一定尺寸

才能稳定存在。

3) 过冷液体中存在能量起伏和温度起伏，以提供临界生核功。

4) 为维持生核功，需要一定的过冷度。

22、试述均质生核与非均质生核的区别及联系？

答：均质生核：在没有任何外界面的均匀熔体中的生核过程，均质生核在熔体各处几率相同，

晶核的全部固液界面皆由生核过程所提供，因此热力学能障较大，所需驱动力较大，理想液

态金属的生核过程就是均质生核；非均质生核：在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型壁界面

提供的衬底进行生核的过程，非均质生核优先发生在外来外界面处，因此热力学能障较小，

所需要驱动力较小，实际液态金属的生核过程一般都是非均质生核。

23试述均质形核与非均质形核有何联系与区别。非均质形核时，对形核剂有什

么要求？

一、1)均质形核：依靠液态金属内部自身的结构自发的形核。

2)非均质形核：依靠外来夹杂或型壁所提供的异质界面进行形核过程。二、T

L T G r r LC V LC ?=?==0**22σσ非均相等但334r V π=均 ()θπf r V 334=非 ()4

cos cos 323θθθ+-=f ∴ 非均质生核所需体积小，即相起伏时的原子数少。三、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。

非均匀形核理论可知，一种好的形核剂首先应能保证结晶相在衬底物质上形成尽可能小

的润湿角θ；其次形核剂还应在液态金属中尽可能保持稳定；并且具有最大的表面积和最佳

的表面特性 (如表面粗糙或有凹坑等)。

24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 334=非 ()4

cos 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。

25.生核剂：

一种好的生核剂首先应能保证结晶相在衬底物质上形成尽可能小的润湿角θ，其次生核剂还

应该在液态金属中尽可能地保持稳定，并且具有最大的表面积和最佳的表面特性。

26、常用生核剂有哪些种类，其作用条件和机理如何？

常用生核剂有以下几类：

1、直接作为外加晶核的生核剂。

2、通过与液态金属中的某元素形成较高熔点的稳定化合物。

3、通过在液相中造成很大的微区富集而造成结晶相通过非均质形核而提前弥散析出的生

核剂。

4、通过在液相中造成很大的微区富集而造成结晶相通过非均质形核而提前弥

散析出的生核剂。含强成份过冷的生核剂

作用条件和机理：

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。

3类: 如分类时所述。

4类：强成分过冷生核剂通过增加生核率和晶粒数量，降低生长速度而使组

织细化。

27液态金属生核率曲线特点是什么？在实际的非均质生核过程中这个特点又有何变化?

答：实际非均质生核率受衬底面积大小的影响，当衬底面积全部充满后，生核率

曲线中断，即不再有非均质生核。

相变、生核、成长中的热力学及动力学：

（1）相变：

热力学条件：ΔT ，可以提供相变驱动力V ΔG 。

动力学条件：克服热力学能障和动力学能障。

（2）生核：

克服能障：热力学（界面自由能）、动力学A ΔG （作用小，对生核率影响小）

（3）生长：

热力学能障：G ( A )KTi V F Δ > ? ln ——取决于F A （处于过冷状态，且相变

驱动力克服此能障）

动力学能障：ΔGA

28、晶粒游离：

晶粒游离方式决定了铸件结晶中等轴晶“晶核”的来源。铸件结晶过程中几种形式的晶粒游离：1)游离晶直接来自过冷熔体中的非均质生核。2)由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离。3)液面晶粒沉积所引起的晶粒游离。除了非均质生核过程以外，各种形式的晶粒游离也是形成表面细晶粒区的“晶核”来源。

29、液态金属流动对铸件结晶中晶粒游离过程的作用主要是怎样通过影响其传热和传质过程而实现的？

游离境直接来自过冷熔体内的非均质生核

由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离

液面晶粒沉积所引起的晶粒游离

（1）传热方面：液态金属的流动加速其过热热量的散失，使全部液态金属在浇注后的瞬间（小于30s）从浇注温度下降到凝固温度

（2）传质方面：液态金属的流动导致游离晶粒的漂移和堆积，并使各种游离晶粒现象得以不断进行。同时改变界面前沿的溶质分布状态，加速流体宏观成分的均匀化

30.凝固方式及其影响因素

一般将金属的凝固方式分为三种类型：逐层凝固方式、体积凝固方式（或称糊状凝固方式）和中间凝固方式。

在凝固过程中铸件断面上的凝固区域宽度为零，固体和液体由一条界线（凝固前沿）清楚地分开。随着温度的下降，固体层不断加厚，逐步达到铸件中心。这种情况为逐层凝固方式。铸件凝固的某一段时间内，其凝固区域几乎贯穿整个铸件断面时，则在凝固区域里既有已结晶的晶体，也有未凝固的液体，这种情况为体积凝固方式或称糊状凝固方式。铸件断面上的凝固区域宽度介于前两者之间时，称中间凝固方式。

凝固方式取决与凝固区域的宽度，而凝固区域的宽度取决于合金的结晶温度范围和冷却强度（温度梯度）。结晶温度范围越宽，温度梯度越小，越倾向于体积凝固方式。

31. 金属凝固方式与铸件质量的关系

逐层方式凝固，凝固前沿直接与液态金属接触。当液态凝固成为固体而发生体积收缩时，可以不断地得到液体的补充，所以产生分散性缩松的倾向性很小，而是在铸件最后凝固的部

位留下集中缩孔。由于集中缩孔容易消除，一般认为这类合金的补缩性良好。在板状或棒状

铸件会出现中心线缩孔。这类铸件在凝固过程中，当收缩受阻而产生晶间裂纹时，也容易得

到金属液的填充，使裂纹愈合。

体积凝固方式：凝固区域宽，容易发展成为树枝晶发达的粗大等轴枝晶组织。当粗大的

等轴枝晶相互连接以后(固相约为70％)，将使凝固的液态金属分割为一个个互不沟通的溶

池，最后在铸件中形成分散性的缩孔，即缩松。对于这类铸件采用普通冒口消除其缩松是很

难的，而往往需要采取其它辅助措施，以增加铸件的致密性。由于粗大的等轴晶比较早的连

成骨架，在铸件中产生热裂的倾向性很大。这是因为，等轴晶越粗大，高温强度就越低；此

外当晶间出现裂纹时，也得不到液态金属的充填使之愈合。如果这类合金在充填过程中发生

凝固时，其充型性能也很差。

32、试述金属凝固方式，影响因素及其对铸件质量的影响。答：金属凝固方式分为三种：当时，凝固趋向于逐层凝固，当1t t

δ?>时，凝固趋向于体积凝固，二者之间，趋向于中间凝固。t ?为结晶温度间隔，t δ为结晶开始温度与

铸件表面温度差。影响因素：结晶温度范围越小，温度梯度越大，凝固区域越窄，越趋向与

逐层凝固。反之，结晶温度范围越大，温度梯度越小，凝固区域越宽，越趋向与体积凝固。

对铸件质量的影响：（1）逐层凝固具有良好的充填和补缩条件，产生分散性缩孔的倾向性很

小，而是在最后凝固部位形成集中缩孔。如果合理设置冒口，可使缩孔移入冒口，而且在凝

固过程中收缩产生的晶间裂纹容易得到金属液补充，使裂纹愈合，故热裂倾向小。（2）体积

凝固方式，补缩条件差，形成分散性缩孔，等轴晶粗大，热裂倾向大。（3）中间凝固方式的

补缩特性，热裂倾向，充型性能均介于前两者之间。

33、铸件凝固过程的应力有哪些？

按产生的原因可以分为：热应力、相变应力、机械阻碍应力。

34、凝固区间结构特征

Ⅰ区（从液相边界到倾出边界）。这个区的特征为固相处于悬浮状态而未连成一片，液

相可以自由移动，用倾出法做试验时，固体能够随液态金属一起被倾出。

Ⅱ区（从倾出边界到补缩边界），这个区的特征为固相已经连成骨架，但液相还能在固

相骨架间自由移动，这时某一部位的体积收缩能够得到其它部位液体的补充，而不至于产生

缩孔或缩松。

Ⅲ区（从补缩边界到固相边界）这个

区的特征为固相不但连成骨架而且已经

充分长大，存在于固相间隙中的少量液

体被分割成一个个互不沟通的小“溶

池”。这时液体再发生凝固收缩，不能得

到其它液体的补缩。

根据以上的分析可以看出，对铸坯

质量影响最大的是Ⅲ区的宽度。可以推

断凝固区域越宽，则Ⅲ区的宽度也就越

宽。

35.使铸件的凝固方向符合“顺序凝固原则”或“同时凝固原则”：

1）顺序凝固用各种措施保证铸件结构上各部分，按照远离冒口的部分最先凝固，然后是靠近冒口部分，最后才是冒口本身凝固的次序进行，保证缩孔集中在冒口中，获得致密的铸件；2）同时凝固取工艺措施保证铸件结构上各部分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时凝固。在同时凝固条件下，没有补缩通道。

不能简单地采用顺序凝固或同时凝固方式，而往往是采用复合的凝固方式

36.什么是定向凝固原则和同时凝固原则？如何保证铸件按规定凝固方式进行凝固？

答：定向凝固（也称顺序凝固）就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部位安放冒口，在远离冒口的部位安放冷铁，使铸件上远离冒口的部位先凝固，靠近冒口的部位后凝固。

同时凝固，就是从工艺上采取各种措施，使铸件各部分之间的温差尽量减小，以达到各部分几乎同时凝固的方法。

控制铸件凝固方式的方法：（1）正确布置浇注系统的引人位置，控制浇注温度、浇注速度和铸件凝固位置；(2)采用冒口和冷铁；(3）改变铸件的结构；(4)采用具有不同蓄热系数的造型材料。

37、试分析铸件凝固方式与产生宏观偏析的关系及采用离心铸造生产的铸件易产生带状偏析的原因？

答：逐层凝固：正常偏析。

糊状凝固：枝晶间存在流动，不易产生正偏析、负偏析、比重偏析、带状偏析。

离心铸造：

机械振动：破坏凝固前沿溶质富集区，使溶质富集区周期地形成。

层流凝固：边流边凝，溶质到达不到最后凝固阶段。

38、顺序凝固与逐层凝固，同时凝固与体积凝固之间有何区别和联系？举例说明。

顺序凝固

人为创造的凝固条件、方向。

同时凝固

逐层凝固

合金本身性能所决定。

糊状凝固

39、单向凝固的原理是什么？

答：首先，要在开始凝固的部位形成稳定的凝固壳，凝固壳的形成阻止了该部位的型壁晶

粒游离并为柱状晶提供了生长基础，该条件可通过各种激冷措施达到；其次，要确保凝固壳

中的晶粒按既定方向通过择优生长而发展成平行排列的柱状晶组织，同时，为使柱状晶纵向

生长不受限制并且在其组织中不夹杂有异向晶粒，固液界面前方不应存在生核和晶粒游离现

象，这个条件可由以下措施满足：○1严格的单向散热○2要有足够大的R

Gl ，以便成分过冷限制在允许的范围以内○3要避免液态金属的对流搅拌和振动，从而阻止界面前方的晶粒游离。

40 说明结晶与凝固的区别及凝固组织对铸坯质量和性能的影响。

答：结晶是一种原子排列短程有序，长程无序状态过渡到另一种原子排列状态长程有序的转

变过程。结晶是从物理化学观点出发，研究液态金属的生核，长大，结晶组织的形成规律。

凝固是物质聚集状态的变化，由液态转变为固态的过程，其中，固态也可以为晶态，也可以

为非晶态。凝固是从传热学观点出发，研究铸件和铸型的传热过程，铸件断面上凝固区域的

变化规律，凝固方式与铸件质量的关系等。

凝固组织对铸坯的性能和质量有很大的影响，就宏观组织而言，表面细晶区一般比较薄，对

铸件的质量和性能影响不大。铸件的质量与性能主要取决与柱状晶区与等轴晶区的比例以及

晶粒的大小。柱状晶的力学性能有明显的方向性，纵向好，横向差，铸坯在凝固或冷却过程

中容易沿晶界产生裂纹。等轴晶的晶界面积较大，杂质和缺陷分布比较分散，且晶粒的晶体

取向不同，故性能的方向性较小，比较稳定。晶粒越细，其综合性能越好，且抗疲劳性能也

越高。所以通常情况下，希望获得细密的等轴晶组织。

41凝固时间的计算：

T=R 2/K 2

，R 为折算厚度，板型为厚度/2，球形为半径/3 42.试确定如下两种铸件的凝固时间（均为无过热注入砂型）。

⑴厚度为100mm 的板型铸件。

⑵直径为100mm 的球型铸件。

⑶比较计算结果并讨论之。

答：

43铸件的偏析有几种类型，请分类叙述之。

微观偏析

（1）晶内偏析：在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于有一定结晶温度范围、

能够形成固溶体的合金中。

（2）晶界偏析：溶质元素和非金属夹杂物富集与晶界，使晶界和晶内的化学成分出现

差异。它会降低合金的塑性和高温性能，又会增加热裂倾向。

宏观偏析：

（1）正常偏析：当合金溶质分配系数k<1时，凝固界面的液相中将有一部分被排出，

随着温度的降低，溶质的浓度将逐渐增加，越是后来结晶的固相，溶质浓度越高，当k>1

时相反。正常偏析存在使铸件的性能不均匀，在随后的加工中难以消除。

（2）逆偏析：即k<1时，铸件表面或底部含溶质元素较多，而中心部分或上部分含溶

质较少。

（3）V 形偏析和逆V 形偏析：常出现在大型铸锭中，一般呈锥形，偏析中含有较高的

碳以及硫和磷等杂质。

（4）带状偏析：它总是和凝固的固-液界面相平行。

（5）重力偏析：由于重力的作用而出现化学成分不均匀的现象，常产生于金属凝固前

和刚刚开始凝固之际。

44.晶内偏析产生原因、影响因素和消除措施

晶内偏析长生条件：一、合金的凝固有一定的温度范围；二、合金结晶凝固过程中原子扩散

速度小于结晶生长速度（不平衡结晶的结果）。一般的情况下，合金的凝固温度范围愈大，

()()()()1224

3226322212222

323121001500.052

0.055105.0410 5.0410

5.0410*******.45.0410 5.0410021

6.7 1.671066

16.71010.985.041098.438.969(10.98

R mm m R k k s D R mm m s τττττ--------===?=?===??????=?=?= ? ?????

====????== ????

==≈，)倍固两种形状不同，使得折算厚度不同造成凝固时间相差很大。

铸件结晶及冷却速度愈快，则原子扩散愈难于进行完全，晶内偏析现象愈严重。因此，晶内偏析多产生于凝固温度范围较大，能形成固熔体的合金中。

影响因素：晶内偏析程度取决于合金相图的形状、偏析元素的扩散能力和冷却条件。（1）合金相图上液相线和固相线间隔越大，则先、后结晶部分的成分差别越大，晶内偏析越严重。（2）偏析元素在固溶体中的扩散能力越小，晶内偏析倾向就越大。（3）在其他条件相同时，冷却速度越大，则实际结晶温度越低，原子扩散能力越小，晶内偏析越严重。但另一方面，随着冷却速度的增加，固溶体晶粒细化，晶内偏析程度减轻。因此，冷却速度的影响应视具体情况而定。

消除措施：均匀化退火、细化晶粒。

45试分析枝晶间液体的流动对枝晶偏析程度的影响？

答：枝晶间液体的流动对枝晶偏析程度的影响：

从微观角度来讲，在枝晶间的流动：从热端→冷端：使冷端枝间偏析减弱；

从冷端→热端：使热端枝间偏析严重；

46改善宏观偏析的基本方法

根本措施：细化晶粒，增加细等轴晶数量。

基本方法：

1、控制冷却速度（低过热浇注、提高外部冷却强度）

2、生核处理

3、悬浮浇注

4、电磁搅拌

5、防止铸坯凝固中出现鼓肚等变形

6、改变铸坯重量和尺寸（减小重量和高度有利于减小偏析）

47普通铸件中不可避免的存在着微观偏析和宏观偏析，试述如何减少或者消除这种偏析。

答：对于微观偏析，采用长时间的扩散退火，可以予以消除或减轻。消除宏观偏析，可以采取的工艺措施有：(1)保证合金成分，使凝固过程中液体的密度差别减到最小。因为液体的密度差是促使液体流动的因素之一。（2）适当的铸件或铸锭高度，因为液体的静压头愈大，流动愈会加剧。（3）加入孕育剂细化枝晶组织，使流动阻力增加，从而减小流动速度。（4）在凝固开始阶段，用加速液体对流的办法，可以细化晶粒，但在凝固过程中，应该使液体的对流运动停止，如果自然对流速度较大，应该外加磁场使对流运动停止。（5）加大冷却速度，缩短固液两相区的凝固时间。

48什么叫一次氧化夹杂和二次氧化夹杂？怎样减少或防止二次氧化夹杂？

金属熔炼过程中及炉前处理中产生的氧化物称为一次氧化夹杂物。在浇注充型过程中生成的非金属夹杂物主要是氧化物，称二次氧化夹杂物。

方法有1正确的选择合金成分，严格控制易氧化元素含量2加入溶剂，金属液表面覆盖一层熔剂，能吸附上层夹杂物3采用复合脱氧剂4避免金属液在浇注和充

型时发生飞溅和涡流，尽可能保证充型平稳5过滤法6采用真空或在保护气氛下熔炼和浇注7为减铸型氧化气氛，除严控制铸型水分，还可以在型砂中添加附加物。

49、热裂的形成机理？

答：热裂的形成机理主要有液膜理论和强度理论。液膜理论认为，热裂纹的形成是由于铸件在凝固末期晶间存在液膜和铸件在凝固中受拉应力共同作用的结果。液膜是产生热裂纹的根本原因，铸件收缩受阻是产生热裂纹的必要条件。强度理论认为，合金存在热脆区和在热脆区内合金的热裂应变低是产生热裂纹的根本原因，而铸件的集中变形是产生热裂纹的必要条件。

50影响热裂的因素有哪些？

答：1。铸造合金性质○1化学成分对热脆区的影响○2化学成分与晶间层形态○3晶粒形状及尺寸○4合金的收缩量和相变。2。铸型方面的影响。3。浇注条件方面影响○1浇冒口系统○2浇注工艺。4。铸件结构的影响。

51.防止热裂的途径

根据以上讨论可知，凡是能够减小热裂倾向性的因素均可据以制定出防止铸件产生热裂的措施。

合金成分、熔炼工艺

(1) 在不影响铸件使用性能的前提下，可适当调整合金的化学成分，或选择热裂倾向性较小的合金。

(2) 减小合金中的有害杂质。应尽可能地降低钢中硫、磷的含量。

(3) 改善合金的脱氧工艺，提高脱氧效果。

(4) 细化初晶组织，对合金进行孕育处理以细化晶粒，消除柱状晶。

铸型方面

(1) 改善砂型和砂芯的溃散性。

(2) 采用涂料使型腔表面光滑以减小铸件和铸型之间的摩擦阻力

浇注条件方面

(1) 减小浇冒口系统对铸件收缩的机械阻碍

(2) 减少铸件各部分温差。

(3) 用冷铁消除热节的有害作用。

铸件结构方面

(1) 两壁相交处应做成圆角；

(2) 避免两壁十字交叉，将交叉的壁错开；

(3) 必须在铸件上采用不等厚度截面时，应尽可能使铸件各部分收缩时彼此不发生阻碍。

(4) 在铸件易产生热裂处设置防裂筋。

52.热裂形成的温度范围

热裂是在凝固温度范围内临近固相线时形成的，此时合金处在固液态，又称为结晶裂纹。或者说热裂是在有效结晶温度范围形成的，所谓有效结晶温度范围，其上限指合金结晶形成枝晶骨架，线收缩开始温度，其下限为合金凝固终了温度。

53.铸件产生热裂、冷裂的必要条件是什么？

产生热裂的条件是高温条件下铸件收缩受阻。冷裂的条件式铸件中应力超出合金的强度极限。

54铸件冷裂和热裂的影响因素有哪些，如何防止其发生？

铸件冷裂的影响因素：

（1）大型复杂铸件由于冷却不均匀，应力状态复杂，铸造应力大而易产生冷裂

（2）铸件冷裂倾向与材料的塑性和韧性有密切关系

附:冷裂是铸件处于弹性状态、铸造应力超过材料的抗拉强度时产生的裂纹。

冷裂的预防与消除：

（1）、铸造应力的防止与消除：使铸件冷却均匀，减小各部分的温差，改善铸型及型芯退让性，减小铸件收缩时的阻力。

（2）、生产实际的工艺措施：反变形、设置防变形的“拉肋”、早开箱并立即入炉内暖冷、用浇注系统调整铸件的温度场。

影响铸件热裂的因素：

合金性质、铸型性质、浇注条件、铸型结构

(1)热裂的防止措施：

(2)改善铸型和型芯的退让性，减少铸件收缩时的各种阻力

（3）减小铸件各部位温差，建立同时凝固的冷却条件

（4）改善铸件结构的设计

55、试分析热裂与偏析以及与缩孔之间的关系：

答：偏析与热裂

一般来讲，偏析促进热裂，因偏析液会形成低熔点共晶物以液膜形式存在晶界，而产生热裂。若偏析液能形成高熔点固相夹杂，存在晶界，可以强化晶界使热脆区变小，不易热裂。

当低熔点存在偏析液较多时，可愈合裂纹，减轻热裂。

热裂与缩孔

在铸件厚大部分产生集中缩孔时，此处易产生热裂，因此处为厚大部位，集中变形较大。若铸件不产生集中缩孔而产生分散缩孔即缩松时，说明ΔΤf较大，即ΔΤB较大，所以热裂倾向大

56如何获得深过冷？

答：深过冷快速凝固技术是指利用各种有效的净化手段尽可能消除异质核心，使金属熔体保持在平衡液相线以下数百度，再在缓冷条件下快速凝固的一种工艺方法。该方法的核心是(1)设法消除可作为非均质形核媒质的杂质，容器壁，以及外界随机扰动的影响，创造尽可能接近均质形核的条件，使熔体在形核前获得大的稳定的初始过冷度。(2)选择某些合金和合金成分，其熔体固有特性应能保证在不太高的冷却速度下达到大的初始形核过冷度和发生快速凝固。熔滴乳化法：将熔融金属液分成细小的液滴，这样在微小液滴里就形成了一个近均匀形核的条件，有利于获得大的稳定的过冷度。磁悬浮无坩埚熔炼法，玻璃混合料包裹合金熔

体法。

57、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？

铸件的典型凝固组织为：表面细等轴晶区、中间柱状晶区、内部等轴晶区。

表面细等轴晶的形成机理：非均质形核和大量游离晶粒提供了表面细等轴晶

区的晶核，型壁附近产生较大过冷而大量生核，这些晶核迅速长大并且互相接触，

从而形成无方向性的表面细等轴晶区。

中间柱状晶的形成机理：柱状晶主要从表面细等轴晶区形成并发展而来，稳

定的凝固壳层一旦形成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，便转而以枝晶状延伸生长。由于择优生长，在逐渐淘汰掉取向不利的晶体过

程中发展成柱状晶组织。

内部等轴晶的形成是由于剩余熔体内部晶核自由生长的结果。

58铸件典型晶粒组织包括哪几部分？它们是怎样形成的？各种因素怎样影响它

们的形成变化？

答： (1) 表面细晶粒区柱状晶区内部等轴晶区

(2) a 、表面细晶区的形成：

传统理论：型壁附近熔炼体由于受强烈的激冷而大量生核，晶核迅速生长并相

互抑制。

必要条件：型壁附近熔体内部的大量生核。

现代理论：充分条件：抑制铸件形成稳定的凝固壳层（通过型壁晶粒游离）

b 、柱状晶区的形成：

开始于稳定凝固壳层的产生；

结束于内部等轴晶区的形成；

柱状枝晶的生长时择优生长，结果长成柱状晶。

c 、内部等轴晶区的形成：

过冷熔体直接生核；晶核形成网络；

晶核来源：界面弱晶粒游离理论；形成过程游离晶沉淀即被捕获；

激冷晶游离理论；

临v v R ≥- ；

(3)影响因素：

金属性质方面：强生核剂；↑?c t ；↓L G ；对流利于等轴晶形成。

浇注条件：低浇注温度，强化液体对型壁冲刷的浇注工艺

铸型性质和铸件结构：薄壁：2b ↑；厚壁：2b ↓。

三、计算题

公式：1：斯托克斯公式：2

2V=(-)g 9r ρρη

液杂，U 0KT 32kT =e τηδ 粘滞系数η式中

——原子在平衡位置的振动时间； k----波尔兹曼常数；

T----热力学温度；

U----原子离位的激活能；

δ——相邻原子平衡位置的平均距离

当F 动 = F 阻时，杂质的上浮速度为式(1-12)为斯托克斯公式。可见，液体的粘度η越大，杂质留在铸件中的可

能性就越大。例: 铝中的Al 203 ，当铝液为780℃时，η= 0.00l06 N ·s/㎡，

ρ液 g = 2400×9·81N/㎡, ρ杂 g = 4000×9.81N/㎡，对r = 10-6 m 的球形Al 203 , 其下

沉速度为

v = [2(10-6)2 × (4000-2400)9.81]/(9×0.00106) m/s

= 0.0033×10-3 m/S

2.H 附加压头公式： h ＝－2σcos θ/(ρg R)

p ＝－2σcos θ/R

为了平衡此附加压力，由液面高度差 h 造成的静压力为 p 压＝ h ρg

式中 ρ ----液态金属的密度； g ----重力加速度。

平衡时－2σcos θ/R ＝h ρg ∴ h ＝－2σcos θ/(ρg R)

3. 成分过冷判据：000m (1)L

L C k G R

D k -<- 4凝固时间的计算：T=R 2/K 2，R 为折算厚度，板型为厚度/2，球形为半径/3

1、斯托克斯公式在什么条件下方可应用？在充型过程中杂质在金属液的上浮或

者下沉速度能否用此公式描述？

0τ2

2(9r v ρρη

=-液杂)g

答：斯托克斯公式（stoks ）：()ηυg e 292

杂液-=e r

条件：杂质上升过程保持或近似球形且上升很慢，且杂质很小（r<0.1mm ）,满足12Re ≤=υυ

r 。

充型过程：杂质物半径很小，可使用stoks 公式。

2、设钢液与砂型绝对不湿润，钢的密度为70003/cm g 表面张力为1.5N/m ，求其填充5mm 的薄板时所需的附加压头，计算说明什么？

答：

m g p h m p 174.08.97000102.1/N 102.1105.215.12R cos 2r 232

33=??==?=???===

-ρθσσ附说明浇铸5mm 钢板需要的压头不高，可以满足。

四、证明题：

1、设状态图中液相线和固相线为直线，证明平衡常数k 。=Const 。

设液相线和固相线的斜率分别为L m 和S m ，

如上图：

液相线：T *－Tm ＝L m (C l *

-0) ①

固相线：T *－Tm ＝S m (C s *-0) ②

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σππ233 44r 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 ?- ==?2 31 σ(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。 3. (a)已知液态纯镍在1.1013×105Pa(1个大气压)，过冷度为319℃时发生均匀形核。设临界晶核半径为1nm ，纯镍的熔点为

材料成形原理课后习题解答汇总

材料成型原理第一章（第二章的内容）第一部分：液态金属凝固学 1.1 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内分布着排列无规则的游离的原子，这样的结构处于瞬息万变的状态，液体内部存在着能量起伏。（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，还存在结构起伏。 1.2答：液态金属的表面张力是界面张力的一个特例。表面张力对应于液－气的交界面，而界面张力对应于固－液、液－气、固－固、固－气、液－液、气－气的交界面。表面张力σ和界面张力ρ的关系如（1）ρ＝2σ/r,因表面张力而长生的曲面为球面时，r为球面的半径；（2）ρ＝σ（1/r1+1/r2）,式中r1、r2分别为曲面的曲率半径。附加压力是因为液面弯曲后由表面张力引起的。 1.3答：液态金属的流动性和冲型能力都是影响成形产品质量的因素；不同点：流动性是确定条件下的冲型能力，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。提高液态金属的冲型能力的措施：（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粘度、表面张力大。（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）铸件结构方面：①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度； ②降低结构复杂程度。 1.4 解：浇注模型如下：

金属凝固原理复习资料

金属凝固原理复习题部分参考答案（杨连锋2009年1月） 2004年二写出界面稳定性动力学理论的判别式，并结合该式说明界面能，温度梯度，浓度梯度对界面稳定性的影响。答：判别式, 2 01()()2 (1)m c v D s g m v D g G T k ωωωω * *??- ??? =-Γ- ++?? -- ??? ，()s ω的正负决定着干扰振幅是增长还是衰减，从而决定固液界面稳定性。第一项是由界面能决定的，界面能不可能是负值，所以第一项始终为负值，界面能的增加有利于固液界面的稳定。第二项是由温度梯度决定的，温度梯度为正，界面稳定，温度梯度为负，界面不稳定。第三项恒为正，表明该项总使界面不稳定，固液界面前沿形成的浓度梯度不利于界面稳定，溶质沿界面扩散也不利于界面稳定。三写出溶质有效分配系数E k 的表达式，并说明液相中的对流及晶体生长速度对E k 的影响。若不考虑初始过渡区，什么样的条件下才可能有0s C C * = 答：0 00 (1)N L s v E D C k k C k k e δ*- = = +- 可以看出，搅拌对流愈强时，扩散层厚度N δ愈小，故s C * 愈小。生长速度愈大时，s C * 愈向0C 接近。（1）慢的生长速度和最大的对流时，N L v D δ《1，0E k k = ；（2）大的生长速度或者液相中没有任何对流而只有扩散时，N L v D δ》1，E k =1 （3）液相中有对流，但属于部分混合情况时，0 1E k k <<。1E k =时，0 s C C * = ，即在大的生长速度或者液相中没有任何对流而只有扩散时。四写出宏观偏析的判别式，指出产生正偏析，负偏析，和不产生偏析的生长条件。答：0 1s q q C k C k = -+，s C 是溶质的平均浓度，0C 是液相的原始成分，q 是枝晶内溶质分布的决定因素，它是合金凝固收缩率β，凝固速度u 和流动速度v 的函数， (1)(1)v q u β=-- 。0s C C =，即 1p u v β β =- -时，q=1，无宏观偏析。0s C C >时，对于01k <的合金来说，为正偏析，此时 1p u v β β >- -。0s C C <时，对于01k <的合金来说，为负偏析，此时 1p u v β β <- -。五解：用2m m m m r m m k r T V T V T H H σσ?=- ?=- ? ??计算

(完整word版)第三章__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 1..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__表面_____ 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r K与过冷度△T呈__反比_ T L T r m m ? - = σ2 _ 关系，临界形核功△G K等于____ ()2 2 3 3 16 T L T G m m k? ? = ? σ π 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_____，晶粒越细_小。 9 制备单晶的基本原理是__保证一个晶核形成并长大__，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_______________。 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。 15、液态金属凝固过程中晶体长大的方式有（垂直长大方式）和（横向长大方式），其中大多数金属采用（垂直长大方式）方式长大。二、名词解释过冷度，临界晶核，临界晶核半径，自发形核，结构起伏、能量起伏，形核功，形核率，变质处理，异质形核，非晶态金属、光滑界面、粗糙界面、温度梯度、三、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。（×）

材料科学基础试题及答案

第一章原子排列与晶体结构 1. fcc 结构的密排方向是，密排面是，密排面的堆垛顺序是，致密度为，配位数是 ,晶胞中原子数为，把原子视为刚性球时，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是；bcc 结构的密排方向是，密排面是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是；hcp 结构的密排方向是，密排面是，密排面的堆垛顺序是，致密度为，配位数是 ,，晶胞中原子数为，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是。 2. Al 的点阵常数为0.4049nm ，其结构原子体积是，每个晶胞中八面体间隙数为，四面体间隙数为。 3. 纯铁冷却时在912ε 发生同素异晶转变是从结构转变为结构，配位数，致密度降低，晶体体积，原子半径发生。 4. 在面心立方晶胞中画出）（211晶面和]211[晶向，指出﹤110﹥中位于（111）平面上的方向。在hcp 晶胞的（0001）面上标出）（0121晶面和]0121[晶向。 5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。 6 在铅的（100）平面上，1mm 2有多少原子？已知铅为fcc 面心立方结构，其原子半径R=0.175×10-6mm 。第二章合金相结构一、填空 1）随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度，塑性，导电性，形成间隙固溶体时，固溶体的点阵常数。 2）影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是（1）；（2）；（3）；（4）和环境因素。 3）置换式固溶体的不均匀性主要表现为和。 4）按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分，固溶体可分为和。 5）无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是强度和硬度，塑性，导电性。 6）间隙固溶体是，间隙化合物是。二、问答 1、分析氢，氮，碳，硼在?-Fe 和?-Fe 中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固溶度大小。已知元素的原子半径如下：氢：0.046nm ，氮：0.071nm ，碳：0.077nm ，硼：0.091nm ，?-Fe ：0.124nm ，?-Fe ：0.126nm 。 2、简述形成有序固溶体的必要条件。第三章纯金属的凝固 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

材料成型原理课后题答案

第三章： 8：实际金属液态合金结构与理想纯金属液态结构有何不同答：纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成的，是近程有序的。液态中存在着很大的能量起伏。而实际金属中存在大量的杂质原子，形成夹杂物，除了存在结构起伏和能量起伏外还存在浓度起伏。 12：简述液态金属的表面张力的实质及其影响因数。答：实质：表面张力是表面能的物理表现，是是由原子间的作用力及其在表面和内部间排列状态的差别引起的。影响因数：熔点、温度和溶质元素。 13：简述界面现象对液态成形过程的影响。答：表面张力会产生一个附加压力，当固液相互润湿时，附加压力有助于液体的充填。液态成形所用的铸型或涂料材料与液态合金应是不润湿的，使铸件的表面得以光洁。凝固后期，表面张力对铸件凝固过程的补索状况，及是否出现热裂缺陷有重大影响。 15：简述过冷度与液态金属凝固的关系。答：过冷度就是凝固的驱动力，过冷度越大，凝固的驱动力也越大；过冷度为零时，驱动力不存在。液态金属不会在没有过冷度的情况下凝固。 16：用动力学理论阐述液态金属完成凝固的过程。答：高能态的液态原子变成低能态的固态原子，必须越过高能态的界面，界面具有界面能。生核或晶粒的长大是液态原子不断地向固体晶粒堆积的过程，是固液界面不断向前推进的过程。只有液态金属中那些具有高能态的原子才能越过更高能态的界面成为固体中的原子，从而完成凝固过程。 17：简述异质形核与均质形核的区别。答：均质形核是依靠液态金属内部自身的结构自发形核，异质形核是依靠外来夹杂物所提供的异质界面非自发的形核。异质形核与固体杂质接触，减少了表面自由能的增加。异质形核形核功小，形核所需的结构起伏和能量起伏就小，形核容易，所需过冷度小。 18:什么条件下晶体以平面的方式生长什么条件下晶体以树枝晶方式生长答：①平面方式长大：固液界面前方的液体正温度梯度分布，固液界面前方的过冷区域及过冷度极小，晶体生长时凝固潜热析出的方向与晶体的生长方向相反。 ②树枝晶方式生长：固液界面前方的液体负温度梯度分布，固液界面前方的过冷区域较大，且距离固液界面越远过冷度越大，晶体生长时凝固潜热析出的方向与晶体生长的方向相同。 19：简述晶体的微观长大方式及长大速率。答：①连续生长机理--粗糙界面的生长：动力学过冷度小，生长速率快。②二维生长机理--光滑界面生长：过冷度影响大，生长速度慢。③从缺陷处生长机理--非完整界面生长：所需过冷度较大，生长速度位于以上二者之间。 20：为生么要研究液态金属凝固过程中的溶质再分配它受那些因素的影响答：液态金属在凝固过程中的各组元会按一定的规律分配，它决定着凝固组织的成分分布和组织结构，液态合金凝固过程中溶质的传输，使溶质在固液界面两侧的固相和液相中进行再分配。掌握凝固过程中的溶质再分配的规律，是控制晶体生长行为的重要因素，也是在生产实践中控制各种凝固偏析的基础。凝固过程中溶质的再分配是合金热力和动力学共同作用的结果，不同的凝固

金属凝固理论重点总结

金属凝固理论复习资料一、名词解释 1.能量起伏：金属晶体结构中每个原子的振动能量不是均等的，一些原子的能量超过原子的平均能量，有些原子的能量则远小于平均能量，这种能量的不均匀性称为“能量起伏” 2.结构起伏：液态金属中的原子集团处于瞬息万变的状态，时而长大时而变小，时而产生时而消失，此起彼落，犹如在不停顿地游动。这种结构的瞬息变化称为结构起伏。 3.浓度起伏：不同原子间结合力存在差别，在金属液原子团簇之间存在着成分差异。这种成分的不均匀性称为浓度起伏。 4.熔化潜热:将金属加热到至熔点时，金属体积突然膨胀，等于固态金属从热力学温度零度加热到熔点的总膨胀量，金属的其他性质如电阻，粘性等发生突变，吸收的热能。 5.充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰的铸件的能力。 6.成分过冷：由溶质再分配导致的界面前方熔体成分及其凝固温度发生变化而引起的过冷。 7.热过冷：仅由熔体实际温度分布所决定的过冷状态称为热过冷 8.宏观偏析：又称长程偏析或区域偏析，指较大范围内的化学成分不均匀现象，表现为铸件各部位之间化学成分的差异。 9.微观偏析：微观偏析是指微小范围（约一个晶粒范围）内的化学成分不均匀现象，按位置不同可分为晶内偏析（枝晶偏析）和晶界偏析。 10.微观偏析（1）晶内偏析：在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于有一定结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。（2）晶界偏析：溶质元素和非金属夹杂物富集与晶界，使晶界和晶内的化学成分出现差异。它会降低合金的塑性和高温性能，又会增加热裂倾向。 11.宏观偏析：（1）正常偏析：当合金溶质分配系数k<1时，凝固界面的液相中将有一部分被排出，随着温度的降低，溶质的浓度将逐渐增加，越是后来结晶的固相，溶质浓度越高，当k>1时相反。正常偏析存在使铸件的性能不均匀，在随后的加工中难以消除。（2）逆偏析：即k<1时，铸件表面或底部含溶质元素较多，而中心部分或上部分含溶质较少。（3）V形偏析和逆V形偏析：常出现在大型铸锭中，一般呈锥形，偏析中含有较高的碳以及硫和磷等杂质。（4）带状偏析：它总是和凝固的固-液界面相平行。（5）重力偏析：由于重力的作用而出现化学成分不均匀的现象，常产生于金属凝固前和刚刚开始凝固之际。枝晶偏析：由于固溶体合金多按枝晶方式生长，分支本身分支与分支间的成分是不均匀的，故称为~。 12.正偏析：指溶质含量高于其平均溶质含量的区域 13.负偏析：降低该区的溶质浓度，使该区C5降低，产生的偏析。（溶质含量低于其平均溶质含量的区域） 14.重力偏析：由于沿垂直方向逐层凝固而产生的正常偏析和固液相之间或互不相容的液相之间有的密度不同，在凝固过程中发生沉浮现象造成的。 15.过热度：指金属熔点与液态金属温度之差。 16.过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度

第二章纯金属结晶作业答案

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结晶，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相变。 3．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是增加非均质形核的形核率来细化晶粒 4．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、加入结构类型相同的形核剂、振动、搅动 5．金属冷却时的结晶过程是一个放热过程。 6．液态金属的结构特点为长程无序，短程有序。 7．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小，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的粗大，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的细小，薄铸件的晶粒比厚铸件细小。 8．过冷度是金属相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变，即平衡相变温度与该实际转变温度之差。一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越细小。 9、固态相变的驱动力是新、旧两相间的自由能差。 10、金属结晶的热力学条件为金属液必须过冷。 11、金属结晶的结构条件为在过冷金属液中具有尺寸较大的相起伏，即晶坯。 12、铸锭的宏观组织包括外表面细晶区、中间等轴晶区和心部等轴晶区。 (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。( ×) 2．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。( ×) 3．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。( √) 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。( √) 5．当纯金属结晶时，形核率随过冷度的增加而不断增加。( ×) P41+7 6．在结晶过程中，当晶核成长时，晶核的长大速度随过冷度的增大而增大，但当过冷度很大时，晶核的长大速度则很快减小。( √) P53 图2-33 7．金属结晶时，冷却速度愈大，则其结晶后的晶粒愈细。( √) P53-12 8．所有相变的基本过程都是形核和核长大的过程。( √) 9．在其它条件相同时，金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的铸件晶粒更细(√) 10．在其它条件相同时，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的铸件晶粒更细。( ×) 11．在其它条件相同时，铸成薄件的晶粒比铸成厚件的晶粒更细。( √) 12. 金属的理论结晶温度总是高于实际结晶温度。( √) 14．在实际生产条件下，金属凝固时的过冷度都很小(<20℃)，其主要原因是由于非均匀形核的结果。(√) 15．过冷是结晶的必要条件，无论过冷度大小，均能保证结晶过程得以进行。

金属凝固理论答案

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：① 改变铸件的浇注温度、浇铸方式与浇铸速度； ② 选用适当的铸型材料和起始（预热）温度； ③ 在铸型中适当布置冷铁、冒口与浇口； ④ 在铸型型腔内表面涂敷适当厚度与性能的涂料。 2. 影响铸件凝固方式的因素有哪些？答：①合金凝固温度区间；②铸件断面的温度梯度。 3. 何为凝固动态曲线？有何意义？答：凝固动态曲线：在凝固体的断面上，不同时间、不同位置达到同一温度点（液相温度、固相温度）连接起来的曲线。意义：判断金属在凝固过程中两相去的宽窄由两相区的宽窄判断凝固断面的凝固方式。 4. 凝固方式分为几种？对铸件质量有何影响？答：①逐层凝固方式，对铸件质量的影响：流动性能好，容易获得健全的铸件。液体补缩好，铸件的组织致密，形成集中缩孔的倾向大（形成缩松的倾向小，可以采用一定的工艺措施消除集中缩孔）。热裂倾向小（因为热裂是在凝固区形成的，凝固区域窄，晶间不易出现裂纹，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，介于前两者之间。 5．凝固时间“平方根定律”与“折算厚度法则”有何区别？答：“平方根定律”是对于大平板，球体和长圆柱体铸件比较准确，对于短而粗的杆和矩形；“折算厚度法则”考虑了铸件形状，由于边角效应的影响，计算结果一般比实际凝固时间长10%~20%。“折算定律”考虑了铸件形状影响因素，接近实际，是对“平方根定律”的修正。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t 块>t 板>t 杆。 5. 在砂型中浇铸尺寸为300?300?20 mm 的纯铝板。设铸型的初始温度为20℃，浇注后瞬间铸件-铸型界面温度立即升至纯铝熔点660℃，且在铸件凝固期间保持不变。浇铸温度为纯铝 212 1200 2700 6.5?10-5 3.9?105 砂型 0.739 1840 1600 2.5?10-7 试求：（1）根据平方根定律计算不同时刻铸件凝固层厚度s,并作出曲线；（2）分别用“平方根定律”及“折算厚度法则”计算铸件的完全凝固时间，并分析差别。解：(1) 代入相关已知数解得： 2222ρλc b ==1475 ，