铸件形成理论习题答案

1. 液态金属的结构和性质

1、加热时原子距离的变化如图1—2所示，试问原子间的平衡距离R0与温度有何关系? R0、R1、R2…..的概念？

答：温度的变化，只改变原子的间距，并不改变原子间的平衡位置，即R0不变。而R0,R1,R2….是温度升高时，原子振动的中心位置。因为温度升高，振幅加大但曲线（W-R）是不对称的，所以振幅中心发生变化。

2、图1-1纵坐标表示作用力，金属原子的运动可以看成是一种振动，其振动在图中如何表示的？物质受热后为什么会膨胀？

答：振幅在图中的表示：如图1-2中数条的平行线。

加热时，能量增加，原子间距增加，金属内部空穴增加，即产生膨胀。

3、图1-1中的Q是熔化潜热吗？在熔化温度下，金属吸收热量而金属温度不变，熔化潜热的本质是什么？ 答：Q不是熔化潜热。

在熔化温度下金属吸收热量①体积膨胀做功②增加系统内能（电阻，粘性都发生突变）原子排列发生紊乱。在熔点附近，原子间距为R1,能量很高，但是引力大，需要向平衡位置运动，当吸收足够能量----熔化潜热时，使原子间距>R1,引力减小，结合键破坏，进入熔化状态，熔化潜热使晶粒瓦解，液体原子具有更高的能量而金属的温度并不升高。（使晶粒瓦解，并不是所有结合键全部破坏）

4、通过哪些现象和实验说明金属熔化并不是原子间的结合力全部被破坏？ 答：（1）体积变化：

固态—气态：体积无限膨胀。

固态到液态，体积仅增加3~5%，原子间距仅增加1~1.5%。

（2）熵值变化：△Sm/△S 仅为0.13~0.54% （3）熔化潜热：原子结合键只破坏了百分之几

（4）X线衍射分析：液态金属原子分布曲线波动于平衡密度曲线上下第一峰位置和固

态衍射线极为相近，其配位数也相近，第二峰值亦近似。距离再大，则与固态衍射线远了，液态金属中原子的排列在几个原子间距的范围内，与其固态的排列方式基本一致。

5、纯金属和实际金属在结构上有何异同？试分析铸铁的液态结构。

答：纯金属的液态结构：接近熔点的液态金属是由和原子晶体显微晶体和“空穴”组成。

实际金属的液态结构：存在着两种起伏：能量起伏，浓度起伏。

微观上是由结构和成分不同的游动原子集团，空穴和许多固态，气态，液态化合物组成，是一种浑浊液体，而从化学键上看除了金属基体与其合金元素组成的金属键外，还存在着其他化学健。

铸铁的液态结构：Fe为基体金属，含C,Si，少量Mn，S,P液体以Fe为主可能含有SiO2,MnS,FeS等杂质，还可能有H2,N2,O2等气体，而大部分C,Si,Mn,S,P基体均匀分布在液体中。

6、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。

7、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？

答：斯托克斯公式（stoks）：??29r2?e液?e杂?g?

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

Re?2r???1。

充型过程：杂质物半径很小，可使用stoks公式。

8、同一种元素在不同液态金属中的表面吸附作用以及同一种元素在同一种液态金属中的表面吸附作用是否相同？为什么？

答：同一种元素在不同液态金属中表示吸附作用不同。

因为：?不同液态金属的σ不同。 ?同种液态金属σ与σ界不同。

9、液态金属的表面张力和界面张力有何异同？表面张力和附加压力有何区别和联系？ 答：液态金属的表示张力指 σ液-气：表示单位长度上作用着力。

液态金属的界面张力指 σ液-固，σ液-液：不同相界面上单位长度作用着力。. 附加压力是表示由力引起的. 10、试推导p??Ρ σ σ σ Ρ 润湿时

不润湿时

σ ?1R11 ?R2?答：R1,R2的意义： 任一曲度的曲率半径：

表示（任一曲度）上通过某点做垂直于此表面的直线，在通过此线做一平面，此平面与表面的截线为曲面，曲率半径即为与此曲线相垂直的圆心的曲率半径即为R1垂直于第一个平面在做一个平面此第二平面亦通过垂直直线并与表面相交由此可得第二个截线和第二个曲率半径，即为R2

图中为任一截面的小截面，具有两个曲率半径R1和R2,我们可以将截面取的足够小，以使R1和R2基本是定值。

若表面向外移动而形成比额外表面所需之功为：△F=σ（xdy+ydx）

在表面二边将有压力差P，作用在xy面上病经过dz的距离相应的功为△W=P.xydz 自相似三角形的比较可得：

?x?dx?/?R1?dz??x/R1?dx?x.dz/R1?y?dy?/?R2?dz??y/R2?dy?y.dz/R2?F??w???x.ydz?ydx??pxydz

??x.ydz/R2?ydxR1??pxydz11p??R?R?12?11、在球铁液中，石墨球的半径r?5?10,??0.002kg/cm，铁水包高为0.5m，求石墨球从包底上升到包顶的时间。

?3325?10?3?10?2?7000?2000??9.81?5.56?10?3m/s0.0049答：V=9

H0.5????89?s??3V5.56?10??212、设钢液与砂型绝对不湿润，钢的密度为7000g/cm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：

32?2?cos?2?1.5?1???1.2?103N/m2?3rR2.5?10

p1.2?103h???0.174m?g7000?9.8p附?说明浇铸5mm钢板需要的压头不高，可以满足。

13、1593℃的钢液?wc?0.75%?加铝脱氧生成Al2O3，如能使此Al2O3颗粒上浮到钢液表面得到质量较好的钢。加入脱氧产物在1524mm处生成，试确定钢液脱氧后2min上浮到钢液表面的Al2O3最小颗粒的尺寸。 答：

2r2??1??2?g1.524v?,v??0.0127m/s9?2?602r2?7000?4000??9.8123?9.8120.0127???r?1.3347?106r2

90.004994.9r2?9.515?10?9,r?0.0975?10?3?m??0.0975?cm?

14、从物质结构的变化说明金属的熔化与汽化有何不同？通过哪些实验证实？

答：汽化：原子间结合键全部破坏；

熔化：与固态相似→体积变化，熔化与汽化潜热。

2. 液态金属的充型能力

1、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。

2、用螺旋形试样测定合金的流动性时，为了使得数据稳定和重复性好，应该控制哪些因素？ 答：?铸型性质 ?浇铸条件

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、碳钢?wc?0.25~0.4?流动性螺旋试样流束前端常出现豌豆形突出物，经化学分析，突出物的S，P较高，试解释生成原因。

答：豌豆型突出物可能是FeS，Fe3P2其熔点比钢熔点低，故在结晶终了析出，一般在晶界上，则形成豌豆状。

5、AL-Mg合金机翼，壁厚为3mm，长为1500mm，其铸造工艺为采用粘土砂型，常压下浇铸，常浇铸不足而报废，你认为应该采取哪些工艺措施来提高铸件的成品率？

答：?提高铸型的透气性?提高浇铸温度?足够的压头④变质处理⑤浇铸系统合理⑥涂烟黑涂料，减小b2 。

6、欲铸造壁厚为3mm，外形尺寸为580?355?305mm的箱体，（材质为ZL106）你认为如何浇铸更合理？

答：应使305mm的方向为垂直方向，更利于充型

7、采用石膏铸型可产生壁厚达0.8mm的铝合金铸件（石膏为绝热材料）但是常出现浇铸不

足分析产生该缺陷的原因，如何消除？

答：可能的原因：铸型温度低，排气不好，浇铸温度低等

措施：预热铸型，加强排气，提高浇铸温度

8、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。 9、试分析亚共晶铝硅合金和过共晶铝硅合金的流动性。 答：亚共晶铝硅合金：

随着硅的百分含量增加，结晶范围增大流动性降低当Si%=1.65%时，出现共晶组织，结晶温度范围减小，故流动性有上升，一直到共晶成分均匀。 过共晶铝硅合金：

当Si%=11.7%，达到共晶成分，一般来讲，它在此点的流动性最好。而后流动性逐渐下降但对Al-Si合金出现了反常，因为过共晶合金初生（β）相为比较规整的块状晶体不形成“坚强”的网络，使合金仍流动，这样，结晶潜热可以起作用，所以超过共晶点后，流动性继续增高。

10、用同一种合金浇铸同一批铸件，其中有一两件出现浇不足缺陷，可能是什么原因？ 答：（1）可能是铸型不同：如砂型，不能保证让每个型都一样。 （2）浇铸工艺，浇铸温度。

11、四类因素中，在一般条件下，哪些是可以控制的？哪些是不可控的？提高浇铸温度会带

来什么副作用？

答：一般条件下：合金与铸件结构不可控制，而铸型和浇铸条件可以控制，浇铸温度太高，容易使金属吸气，氧化严重达不到预期效果。

12、合金液在半径为r的型腔中流动，试证明经L长的温度△T为2?T0?T型L/?r?1c1v?，式中v是流速，T0-----x=0处的温度。 证明：

????t?t型?ds.dd???C???dv.?1c1dtdt?t?t型?F?1c1en?t?t型p????F?1c1ln?t?t型??cp?t?t0,?c?????????当??0时，????F?1c1?t?t型ln??p??t0?t型

F?1c1v?t0?t型?t?t0v???ln??p?t0?t型?t?t0??r2?1c1v???L??ln?1?p?t0?t型???r?cvt?t0r?1c1vL??11.?2?t0?t型2? ???t?t?t?2Lt?t/rcv0011型

3. 液态金属的传热与凝固方式

??1. 试分析铸件在金属型，砂型，保温型中凝固时的传热过程，并讨论在上述几种情况影响传热的限制性环节及温度场的特点。 答：

（1）砂型：

?2 远小于?1 ，铸件冷却缓慢断面上的温差很小，而铸型内表面被铸件加热到很

高的温度，而外表面仍处于较低的温度。砂型本身的热物理性质是主要因素（限制环节）。 （2）金属型：

a.铸件较厚，涂料较厚。

铸件的冷却和铸型的加热都不十分激烈，大部分温度降在中间层，而铸型和铸件上温度分布均匀。

传热过程主要取决于涂料层的热物理性质。

b.当涂料层很厚时，铸件的冷却和铸型的加热都很激烈，有明显的温度梯度界面热量很小，可忽略。

传热过程取决于铸件、铸型的热物理性质。 （3）保温型：

与砂型情况类似，只是铸型比铸件的冷却更缓慢，铸型界面处温度梯度较大，而外部温度低（接近金属型后涂料）。

2.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：

结壳晚

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。 3. 试证明铁在熔点浇入铝制容器中，铝型内表明不会熔化。 已知：铁液熔点t10=1539℃ λ1=23.26w 铝液熔点660℃，λ2=23.26w解：起始边界温度tF

?m?k?，C1?921Jkg?k，?1?6900kgm3

?m?k?C2?921J，

kg?k，??6900kgm3，t20=20℃。

tF?b1t10?b2t20

b1?b2b1??1c1p1?12157.9b2??2c2p2?1745.2tF?12157.9??1539?273??17454.2??209273??915.64k?642.640c?6600c12157.9?17454.2

不会熔化。

4. 用契福利诺夫定律计算铸件的凝固时间，误差来源于几方面？半径相同的圆柱和球哪个误差大？大铸件与小铸件哪个误差大？金属型和砂型哪个误差大？

R2契福利诺夫定律：??2

K答：

⑴误差来自：

?金属型和接触面是无限大的平面，铸件和铸型的壁厚都是半无限大的;

?与金属液接触的铸型表面温度浇注后立即达到金属表面温度，且以后保持不变； ?凝固时在恒温下进行的；

④除结晶潜热外，在凝固过程中没有任何其他能量析出，如化学反应等。 ⑤铸型和金属的热物理性质不随时间变化 ⑥金属液对流作用所引起的温度场改变忽略不计。 ⑵?.半径相同的球和柱体：

圆柱体：

?r2.lr?2?r.l2球：4?r.lrR?32?,应该是球的误差大于圆柱的，因为若是长圆柱的两端面近乎

4?r3散热，而球整个表面积均散热，与半无限大件相差更远。

? 大件和小件：小件误差大，因为小件个方面均散热，与半无限大的物件相距很远。 ?金属型和砂型:金属型误差大，远离半无限大 。 5. 在下列三种情况下直径为100mm纯铁球的凝固时间：

1)无过热在砂型中凝固， 2)无过热在铁型中凝固， 3)过热在100℃的砂型中凝固； 答：1）无过热在砂型中凝固

b2?2?c??638.9J/m??2?cs12??639J/?m?985.7?s2?cs12???2?.?1lv11..,?b2s1t0?t20?20?2?错选工艺及原理：t10?1500b1?c1?837b1?L?268R??KvR?sK?tF?k?2211c，t120ckg/m3,?1?23.26W/m.?c?12087?1c1?.4J/kg.?c,?23.26?837kj/kg1?7500.4?7500?J/?m2?cs12??

??.?1[L?c1?t浇?ts?]b1t0?b2t2012087?b1?b22?639?150012087?639?6394rD??0.0167362b2?tF?t20?(m)?20m/s12?1425.7?c?1425.7?20?2680004????2?7500?5.04?10?18.3(min)R2?0.0167????2K?5.04?10?2?无过热在铁型中凝固b2??c??12087?150061.64?544?16434.3?7100?20?647?16434tF?

KvR?sK?tF?k?11??.?1[L?c1?t浇?ts?]b1t0?b2t2012087?b1?b22?639?150012087?639?6394rD??0.0167362b2?tF?t20?(m)?20m/s12?1425.7?c?1425.7?20?2680004????2?7500?5.04?10?18.3(min)R2?0.0167????2K?5.04?10?2?无过热在铁型中凝固b2??c??1208761.64?544.3?7100?20?6473?16434tF?. k??1500?1643412087?16434?647?202?16434??.7500?2680002?5.78?10\\

?0.0167?????8.34s3??5.78?10?3)过热100?c在砂型中凝固2?639?1425.7-20k??7500?268000?83740?0.0167????3.84?10?4??2?17964844675821881.6?3.84?10?4m/s12???2?167?????3.84??1891.3?s??31.5?min?6. 产生厚为250mm厚的铝板，在无过热的情况下注入砂型 1)求凝固时间。

2)用数学分析法求在铸件表面62.5mm和热中心两点额冷却曲线。 答：x=62.5mm时

?62.5t1?tF??tF?t10?erf??2a?1?当x=12.5，热中心时

?? ???12.5t1?tF??tF?t10?erf??2a?1??? ??给定不同的时间?，求出对应的t1即可绘制出曲线。

7.一面为砂型，另一面某种专用材料制成的铸型中浇铸厚度为50mm铝板，浇铸 时无过热，

凝固后检验其组织，在位于砂型37.5mm处发现轴线缩松，计算专用材料的蓄热系数。

砂型12.5 37.5 专用材料b2 ｀??k??2k22b2?tF?t20???1?L?C1?t浇?ts??①用tm替换tF?2k2???2k??2?k???k???k???k?

k2b2?tm?t20???1Lb???2?k?2b??tm?t20?b2??1L??b212.5????b2?639???b2?213J2?m?℃?s?0.5???b237.52b2?tF?t20?2b??t??t??同理?k?2F?20??1L??1L②k?kb2?tF?t20??其中，b1?17454,b2?639.t10?660℃??tF?t20??k?b2tF?b1t10?b2t2017454?660?639?20??637.4℃b1?b217454?639?t20?17454?660?b2??2011519640?20b2??20b1t10?b2??????20b1?b217454?b217454?b2?k639?637.4?20?394518.617454?b2?????0.0351117038?k?b?11519460?20b2?b??2???b2?202?17454?b???17454?b22??t?F????37.5k610.89?0.035b2??3b2??b2??206???即，610.89?0.035b2???kb2?12.5

8. 对下列金属试样计算凝固层厚度与凝固时间的关系曲线。

1）纯铁液无过热砂型； 2）纯铝液过热砂型；

3）纯铁液注入800℃的保温型中； 4）纯铝液注入到石膏型中； 5）试分析影响???的曲线因素； 答：1）用5题的结果：

???2k2???k??5.04?10?4?(m)

2） 用6题的结果：

??k?

3）保温铸型按石膏铸型：

?2?0.48，?2?1440，C2?0.84,t20?800℃

4）熟石膏：

t20?20℃，??0.48，??1440，C?0.48

5）试分析影响因素：

主要取决于k:k?①铸型：b②铸件：b1、?1、C1③铸型：t20④铸件：t102b2?tF?t20???1?L?C1?t浇?ts??

⑤铸件：L、ts即合金本身的性质。9.已知厚为50mm的板材铸件在砂型中的凝固时间为6min，在保温铸型中的凝固时间为20min，如采用复合铸型（即一面为砂型，一面为保温铸型），欲在切削后得到47mm厚的密致板件，铸件厚度最少应为多大？

??50mm，???2?2?25mm?0.025m砂型 0.02520.02522??2?6?60?故，k1?kk213600.252?102?0.25??0.025??3?1???10??10????k136?10?6??6?0.0251k1???1.1318?1036100.0250.025保温：20?60??k??7.217?10?422k21012222轴线缩松区保温型 47

因砂型边凝固的快，保证?1?47mm0.0472?0.047?6???????10?1272s?2.12min0.0252???0.1?0.025?6保温则：?2??k2?7.217?10?4?1272?0.0257m?25.7mm铸件最小壁厚为47?25.7?72.7mm10.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。

2⑵直径为100mm的球型铸件。 ⑶比较计算结果并讨论之。 答：

?1?R1?100?50mm?0.05m2R20.052k?5.04?10，??2?k5.04?10?3?3??25?10?4?5.04?10?61?5??5?2?1?????2????10?98.4s?5.04?10?5.04??2?R2?D?100?16.7mm?1.67?10?2m66?16.7?10?3??2???5.04?10?3???10.98s???3??1?98.4?8.96?9(倍)?210.98222

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。11. 试计算无限大平板铸钢件的温度场。

2????7.6g/cm,c?0.67J/g.c?,?1?0.301J1铸件的热物性值为1凝潜?cm?s?℃?,，

热L=272J/g，固液两相温度为ts?1470℃,tL?1520℃。砂型的热物性值为

?2?1.6gcm3,c2?1.09J?g?℃?,?2?0.0117JJ?cm?s?℃?。砂型的浇铸温度为

1550℃，铸件-铸型间的等效换热系数h?0.209铸件壁厚为100mm，两侧砂型壁厚为100mm。

?cm2?s?℃，忽略砂型与大气的换热，

??1?0.301J?cm?s?℃?，C1?0.67J?g?℃??1?7.6gcm3,?20.0117,C2?1.09,?2?1.6l?272J,ts?1470℃,tl?1520℃g

Jt10?1550℃,t20?30℃,h?0.209cm2?s?℃1???t0??M?2?t1?t2?t1Mta??tat?t??ta????ba???C1?1?x?ta?x1?x??aa?hl?ba即，0.117?ta??ta??1.7007?tb?ta??5.092?ta??ta?ta?ta?t?t???ta?????b?a????C2?2?x?ta ?x1?x???aahl?2???ta??即，0.117?ta?ta???0.0661?tb??ta???1.744?ta?x2解：M??3,?x?1cma????x211??????5.65sa1?Ma1?33?0.059a1??10.301??0.059c1?10.67?7.6①ta??30,tb?1550℃?ta?30?1550?5.56?0.67?7.6?1??ta??1550?1?aa?即,?176.367?5.092?ta??1550?

?34.636?ta??1550?ta??1515℃,回升到ta??1520℃

?aa??2?1?2?1??2?2?0.301?0.0117?0.0230.301?0.0117②ta??132,ta?1520,tb?15500.117?132?1520??1.7007?1550?1520??5.092?ta??1520??ta??1498,回升到1519℃。tLi??tL?ts?fs?1520?50?0.0123?1519?t??1498?1519?21℃?f2s?0.0517,fs?0.123?0.0517?0.0641111tb??ta?tb?tc??1520?1550?1550??1540℃33331111???ta??tb??tc???30?30?132??64℃tb3333tb??33.86℃

??1519?③0.117??1519?221??1.7007?1540?1519??5.092?ta?ta??1496,回升到1517℃。tLi?1520?50?0.064?1517℃?t?1517?1496?21℃?f3s?0.0517,fs?0.064?0.0517?0.1157℃1?1519?1540?1550??1536℃31???1540?1550?1550??1547℃tc3??221?0.117?1519?221??0.0661?64?221??1.744?ta???302,tb???105,tc???41?ta??tb

4. 液态金属结晶的基本原理

1、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?T——驱动力?GV

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?GA——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）。

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）r均?r非?**2?LC2?LCT0? 相等 ?GVL?T2?3co?s?co3s?4343但V均??r V非??rf??? f????

433? 非均质生核所需体积小，即相起伏时的原子数少。

3T16??LC**??G均f??? ?220 ?G非 （2）?G?3L?T*均 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 ????T非?

f?????V非???T?

* 即：对r：?与?T非的影响.

* （4）生核功：

3T16??LC?220f??? ?G?3L?T*非* f??????G非??能量起伏???T?

（5）纯金属非均质生核的热力学条件：

3T16??LC2?LC*?220f??? r? ?G非??GV3L?T*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 r均?**2?LC2?LCT0? ?GVL?T 当 T?T0时， 两相平衡；

当T?T0时，趋于固相：即固相教液相稳定；

*式中看出 ?T??r均? 。

* ? ?T? 即T? ,此时固相更稳定，更易于发生相变，就以较小的r均即可稳定存在。

4、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：?T ，可以提供相变驱动力?GV。 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?GA（作用小，对生核率影响小） （3）生长：

热力学能障：?GV???lnAF?KTi——取决于AF （处于过冷状态，且相变驱动力克

服此能障）

动力学能障：?GA

5、从原子尺度看，决定固—液面微观结构的条件是什么？各种界面结构与其生长机理和生长速度之间有何联系？它们的生长表面和生长防线各有什么特点？ 答：（1） 热力学因素：a?L0?n???Sm??????? ????kT0?v??R??v? a?2 粗糙界面 ——平衡结构 a?2 平整界面

动力学因素：大：连续生长——粗糙界面结构 ——非平衡时 ?Tk 小：平整界面的生长——平整界面结构

（2） 粗糙界面：连续生长 R?u1??Tk 完整平整界面：二维生核R?u2e???Tk ?Tk???连续生长

非平整界面：螺旋生长，R?u3?Tk 。 旋转单晶， 反射单晶。

（3） 生长方向： 粗糙界面：各向同性的非晶体单晶等，生长方向与热流方向相平行， 平整界面：密排线相交后的棱角方向 生长表面： 粗糙界面：因是各向同性，光滑的生长表面。 平整界面：棱角分明的密排小晶面，

6、我们从什么尺度着眼讨论单晶合金的结晶过程的？它与结晶的原子过程以及最后的晶粒组

2织之间存在什么联系？ 答：

（1）从宏观尺度着眼讨论单相合金的结晶过程，主要是与“原子尺度”相区别的。 （2）与结晶的原子过程之间的关系：

不同的结晶方式：平面生长→胞状生长→ 枝晶生长。 原子过程： 小面生长和非小面生长 。

任何一种生长方式都可以是小面生长或非小面生长 （3）与最后的晶粒组织之间的联系。

平面生长：单晶或无分支的柱状晶组织。

胞状生长：胞状晶——一簇为一些平行排列的亚结构。 柱状枝晶生长：柱状枝晶。

等轴枝晶生长（内生长）：等轴枝晶。 7、某二元合金相图如图所示。合金液 成分为wB?40%，置于长瓷舟中并从左端开始凝固。温度梯度

达到足以使固—液界面保持平面生长。假设固相无扩散，液相均匀混合。试求：（1）a相与液相之间的

平衡分配系数k0；（2）凝固后共晶体的数量占试棒长度的百分之几？

6）画出凝固后的试棒中溶质B的浓度沿试棒长度的分布曲线，并注明各特征成分及其位置。

*CS30 解：（1）k0?*??0.5

CL60 (2)根据公式

**CL?C0fLko?1 CL?60%

?0.6?0.4f

?0.5L1?394??fL2??fL?1?fL??44.4$9?共晶体占试棒长度的44.4%

* （3） fS?0 CS?k0C0?0.5?40%?20%

*T=500℃ CS?30%

8、假设上题合金成分为wB?10%。

（1）证明已凝固部分（fS）的平均成分CS为CS?__C0k1??1?fS?0 fS?? （2）当试棒凝固时，液体成分增高，而这又会降低液相线温度。证明液相线温度TL与fS之

间关系为TL?T0?mC0(1?fS)k0?1 式中T0为A的熔点，m为液相线倾率。

（3）在相图上标出TL分别为750℃、700℃、600℃与500℃下的固相平均成分。问试棒中

将有百分之几按共晶凝固？

答：（1）CS?fS?CL?fL?C0 wB?10% C0?0.1

*CL?CL?C0?1?fS?0__k?1__?Cs?fS?C0(1?fS)k0?1?1?fS??C0

CS?_C01??1?fS?0k_??fS?C0*fS?1??1?fs?0k??

k?1 （2）TL?T0?mCL?T0?mCL?T0?mC0?1?fS?0 （3）

TL?750℃ 700 600 500

?1?fS??0.5?2.25 3 4.5 6 fS?0.8 0.89 0.95 0.97 CS?6.9% 7.5 8.1 8.6 _ T?500℃， fL?1?0.97?0.03?3%， 3%按共晶结晶。

不易热裂。

26、试分析灰铸铁件比碳钢件残余应力小的原因。

?1?E灰铁?E碳钢答： ?2??灰铁??碳钢

?3??灰铁??碳钢27、工形铸件和T型铸件的铸造工艺相同时，哪种铸件残余应力大？哪种铸件易产生挠曲变

形，为什么？并讨论防止措施。

答：I：残余应力大，对称结构，不易变形而松弛应力。

T:饶曲变形，两杆粗细不同，产生应力，但结构不对称，易变形而松弛应力。

防止措施：包括应力，?合金 E小、α小；?铸型，减小温度或减小b2;?浇注温度高。 变形：除以上措施，还可以在工艺上采取以下措施。

?加大铸型刚度?控制 和时间?反变形措施。 28、简述焊接裂纹的种类及其特征和产生的原因。 答：按产生裂纹的本质来分，焊接裂纹可分为五大类：

（1）热裂纹，踏实在高温下产生的，特征是沿原奥氏体晶界开裂。热裂纹又分为结晶裂

纹、液化裂纹和多边化裂纹等三类。

（2）再热裂纹，厚板焊接结构，并采用含有某些沉淀强化合金元素的钢材，在进行消除

应力热处理或在一定温度下服役的过程中，在焊接热影响区粗晶部位发生的裂纹称为再热裂纹。多发生的低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢和某些镍基合金的焊接热影响区粗晶部位。再热裂纹的敏感温度，视钢种的不同约550～650℃。 （3）冷裂纹，它是焊后冷至较低温度下产生的，主要发生在低合金钢、中合金钢、中碳和高碳钢的焊接热影响区。冷裂纹按被焊钢种和结构的不同又分为延迟裂纹、淬火裂纹和低塑性脆化裂纹。

（4）层状撕裂，轧制钢材的内部存在不同程度的分层夹杂物；在焊接时产生的垂直轧制

方向的应力，致使热影响区附近或稍近的地方产生呈“台阶”形的层状开裂，并可穿晶扩展。它属于低温开裂，一般低合金钢，撕裂的温度不超过400℃；常发生在厚壁结构的T型接头、十字接头和角接头，是一种难以修复的失效类型。

（5）应力腐蚀裂纹，是容器、管道等在腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下（包括工作应

力和残余应力）产生一种延迟破坏的现象。形态如同枯干的树枝，从表面向深处发展，大多属于晶间断裂性质，少数也有穿晶断裂。从端口来看，为典型的脆性断口。

29、分析液态薄膜的成因及其对产生热裂纹的影响。

答：在焊缝金属凝固结晶的后期，低熔点共晶被排挤在柱状晶体交遇的中心部位，形成一种所谓“液态薄膜”，此时由于收缩而受到了拉伸应力，这时焊缝中的液态薄膜就成了薄弱地带。

产生结晶裂纹的原因，在于焊缝中存在液态薄膜和在焊缝凝固过程中受到拉伸应力

共同作用的结果，液态薄膜式产生结晶裂纹的内因。

30、什么是脆性温度区间？在脆性温度区间内为什么金属的塑性很低？

答：熔池结晶进入固液阶段后，由于液态金属少，在拉伸应力作用下所产生的微小缝隙都无法填充，只要稍有拉伸应力存在就有产生裂纹的可能，故把这个阶段叫做“脆性温度区”。

在脆性温度区间内，焊缝金属抵抗结晶裂纹的能力较弱，所以在此阶段焊缝金属稍

有变形就易产生裂纹，所以金属的塑性很低。

31、液化裂纹和多边化裂纹在本质上有何区别？在防止措施上有何不同？ 答：

（1） 液化裂纹：近缝区或多层焊的层间部位，在焊接热循环峰值温度的作用下，由于被焊金属含有较多的低熔共晶而被重新熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界发生开裂。

多边化裂纹：焊接时焊缝或近缝区在固相线稍下的高温区间，由于刚凝固的金属中存在很多晶格缺陷及严重的物理和化学不均匀性，在一定的温度和应力作用下，由于这些晶格缺陷的迁移和聚集，便形成了二次便捷，即所谓“多边化边界”，这种多边化的边界，一般情况下并不与凝固晶界重合，在焊缝后的冷却过程中，由于热塑性降低，导致沿多边化的边界产生裂纹，故称多边化裂纹。 （2）液化裂纹的防止措施：

应从冶金和工艺两方面入手，特别是对冶金方面，尽可能降低母材金属中硫、磷、硅、硼等低熔共晶组成元素的含量十分有效的。 多边化裂纹的防止措施：

向焊缝加入提高多边化激化能的元素，可有效防止多边化过程。

32、试述焊接冷裂纹的特征及其影响因素。 答：焊接冷裂纹的特征：

冷裂纹的起源多发生在具有缺口效应的焊接热影响区或有物理化学部均匀的氢聚集的局部地带。有时沿晶界扩散断裂，有时是穿晶前进断裂。冷裂纹主要发生在焊缝金属中。 影响因素：

1）钢种化学成分的影响，钢种的碳含量越高，淬硬倾向越大，即增大冷裂纹的敏感性； 2）拘束应力的影响； 3）氢的有害影响；

4）焊接工艺对冷裂纹的影响，包括焊接线能量、预热、焊后后热、多层焊的影响。 33、为什么预热有防止冷裂纹的作用？它对防止热裂纹是否也有这种作用？

答：大量的生产时间和理论研究证明，钢种的淬硬倾向、焊接接头含氢量及其分布，以及接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂的三大主要因素。焊接条件下，近缝区的加热温度很高，使奥氏体晶粒发生严重长大，当快速冷却时，粗大奥氏体将转变为粗大马氏体。焊接接头有马氏体存在时，裂纹易于形成和扩展，而且在冷却速度很快的情况下，氢不易从焊缝中逸出，则接头的敏感性就越大。再加上不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力及其他应力的影响从而导致焊缝产生冷裂纹。而预热可减小焊缝的冷却速度，从而减少粗大马氏体的数量和扩散氢含量，而且有利于消除应力的影响，所以预热可以防止冷裂纹的产生。

34、简述再热裂纹的主要特征和产生再热裂纹的机理。 答：主要特征：

1）再热裂纹都是发生在焊接热影响区的粗晶部位并呈晶间开裂；

2）进行消除应力处理之前焊接区存在较大的残余应力并有不同程度的应力集中，残余应力与应力集中必须通知存在，否则不会产生再热裂纹。应力集中系数K越大，产生再热裂纹所需的临界应力?cr越小；

3）产生再热裂纹存在一个最敏感的温度区间，这个区间与再热温度及再热时间有关，随材料的不同而变化；

4）一定沉淀强化元素的金属材料才具有产生再热裂纹的敏感性。

产生机理：

焊后在热处理时，残余应力松弛过程中，粗晶区应力集中部位的晶界滑动变形量超过了该部位的塑性变形能力，就会产生再热裂纹。理论上产生再热裂纹的 条件可用下式

表达：e?ec，e——粗晶区局部晶界的实际塑性变形量；ec——粗晶区局部晶界的塑性变形能力，即再热裂纹的临界塑性变形量。

35、试述产生层状撕裂的原因，如何判断钢材产生层状撕裂的敏感性？

答：产生层状撕裂的原因：造成层状撕裂的根本原因在于钢材中存在较多的夹杂物，而在轧

制过程中，扎成平行于扎向的带状夹杂物，这就造成了钢材力学性能的各向异性。 层状撕裂的判据：

1）Z向拉伸断面收缩率?Z为判据；

2）插销Z向应力为判据，层状撕裂敏感性评定公式：PL?Pcm??H??6S

60PL——层状撕裂敏感指数（%）

Pcm——化学成分裂纹敏感系数（%）

?H?——扩散氢含量（GB3965-83)(mL/100g）

S——钢中的含硫量（%）

36、采用宏观和微观分析如何能正确判断裂纹的性质？ 答：

（1）所谓宏观分析，主要是采用常规的检测手段，根据材质和焊接材料的化学成分、建造过程中的焊接工艺和产品结构的运行工况条件，对已出现的裂纹进行定性地分析与判断。从低合金高强钢为例，各种强度级别的钢种，均有规定的化学成分标准。根据某钢种的化学成分就可以大致判断产生裂纹的可能性。如果在钢种和焊接材料化学成分正常的情况下，出现裂纹的重要原因之一就是施工时焊接工艺不当或违反某些施工规程所引起，环境有腐蚀介质，常使焊接结构产生应力腐蚀裂纹。在高温高压下长期使用的焊接结构，有可能产生再热裂纹和蠕变疲劳裂纹等。

（2）用宏观分析方法还不能得出肯定的结论，就需要采用微观分析方法进行深入地分析，

使用光学显微镜、电子显微镜、扫描电镜、电子探针、以及俄歇能普和X光晶体衍射等手段来观察和分析裂纹的特征都属于微观分析的方法，一般情况下，利用光学显微镜观察组织和裂纹特征，基本上就可以确定出裂纹的性质。

CL?CL?C0fL_*k0?1，fL1?k0?C0?C?? ， C0?10 CL?60 ?0f? ，L**??CL?CL?2'T''9、固相无扩散，液相均匀混合。假设图PQ线是CS(t时固相成分）与界面处固相成分CS的''算数平均值。试证： CS?C0?2?k0?

'''CS?CS 证明：C0?

2

k0C0?Cs'''' C?k0C0 C0? CS?2C0?k0C0?C0(2?k0)

2'S10、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

GLR??mCO?1?k0?

DLk0 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：C0 m k0 DL b、工艺因素：GL R （3）

方式 状态 无成分过冷 平面生长 单晶、柱状晶 小成分过冷 胞状生长 胞晶 较宽成分过冷 枝晶生长 柱状枝晶 宽成分过冷 等轴枝晶 等轴晶 （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。

2?5cm?3cmD?10R?2.5?1011、已知在铸锭和铸件中多数金属在液相线温度下L｜s，s；

10%0?m｜>1。假设?s??l，试分别求出下表中当C(质量分数,下同）、1%、0.01%

以及k0?0.4与0.1时的确保平面生长所必须的Gl值。考虑到铸锭或铸件中一般情况下

℃G3~5l?，根据计算结果你能得出什么结论？ cm k00.4 0.1 答：

Gl C0 10%(重量） 1%(重量） 0.01%(重量） GlmC0?1?k0?mC0?1?k0?R??，Gl?? RDlk0Dlk0C0?10m?1?0.4??2.5?10?3??3.75?103m?510?0.410m?1?0.1?Gl???2.5?10?3??2.25?104m?510?0.1C0?1%Gl??1?m?1?0.4??2.5?10?3??3.75?102m?510?0.41?m?1?0.4?Gl???2.5?10?3??2.25?103m?510?0.1C0?0.01Gl??0.01?10?2?m?1?0.4??3Gl???2.5?10??3.75m10?5?0.40.01?10?2?m?1?0.4??3Gl???2.5?10??2.25m?510?0.1结论：

①k0???容易平面生长 ②c0???容易平面生长

?T1?T2?,越容易平面生长

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

?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

?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。

6）图为某二元共生共晶体积元的示意图，设体积元是一个变长为1的立方体， 若?相为棒状其体积为Vr??r，?、?相间面积为Sr?2?r，式中r为棒横截面半径，若?为片状则其体积为Vb?b,相间面积为Sb?2.试证明：

2

?1?当Vr??1时，Sr?Sb?2?当Vr??1时,Sr?Sb ?3?当Vr??1时,Sr?Sb请用上述结果说明相间界面能对共生共晶中的棒状--片状组织的转变规律。 解：

?1?vr??1,vr??r2??1,r??11Sr?2?r?2?.??2?Sb?2?vr??1,vr??r2??1,r??1,1Sr?2?r?2?.??2?Sb?Sr?Sb?3?vr??1,vr??r2??1,r??1,1Sr?2?r?2?.??2?Sb?Sr?Sb

???Vr?V?,?V??V??1,?V??V??Vr???V??V?V??V?1??

5. 铸件结晶组织的形成及控制

1．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 ； (3)影响因素：

金属性质方面：强生核剂；?tc? ；GL? ；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：b2↑； 厚壁：b2↓。

2、设想利用上章思考与练习13题相图中B20%合金制作单晶粒，将成分相同的小晶粒（籽

晶）置于长瓷舟的一端，并与液体相接触，然后使液体自籽晶上开始缓慢地实现定向凝固，从而获得与籽晶位向相同的单晶体。试问

（1）为确保凝固过程中平面生长所必需的液相温度梯度GL有多大？

R?v?v临 ；

（2）如果固-液界面为枝晶生长，能否仍可获得单晶？试解释之。 答：

（1）确定平面生长所必须的液相温度梯度 G2

GLmc0(1?k0)mc0(1?k0) GL????R

RDL*k0DL*k0c0=20%

900?500?0.2(1?0.5)RR2.5?10?30?0.6GL????133.3?133.3??3.33?104occm?50.5DLDL10?

（2）固—液界面为枝晶生长，也可获的单晶，只要是一个晶粒发展，不再生成另外的

晶粒便长成单晶。保证成分过冷?Tcmax??T非。

3、 在定向凝固过程中，使固-液界面不前进又不后退的条件是什么？ 答： 定向凝固过程中，使固—液界面不递进不后退的条件：

界面温度：T : T2?T?T2??Tk 当T?T2：界面后退，即熔化 当 T?T2??Tk：界面向前，即生长

单向扩散走的热量Ｑ1=金属液从炉壁吸收热量Ｑ2， 铸件移出速度=凝固速度。

4、下图变更冷铁（甲、乙）与快浇或慢浇，怎样组合可获得更多的等轴晶？

甲

乙

内浇口

答：冷铁在乙位置上，并快浇利于产生激冷晶并游离，可获得更多的等轴晶。

6. 凝固缺陷

1、在实际生产条件下，铸件的凝固是非平衡结晶过程，试分析溶质扩散系数Ds与温度扩散率?在枝晶偏析形成的作用。 答：Cs?kC0(1?*fs1??k0)k0?1

3

??Ds?s2

?单位cms ，此?为系数元量纲。

* （1）主要是Ds， Ds↓ →Cs↑，偏析严重。

（2）?：??v0 （冷却速度） ；

???v0?? 偏析严重；

????v0??? 偏析逐渐减弱，因此S?? ；

?????v0???? 无枝晶偏析；

?：热扩散率（或导热系数）

2、能否把枝晶偏析看成正常偏析，它与宏观正常偏析在形成过程上有何异同？ 答：（1）对一个枝晶来讲，枝晶偏析是由于溶质再分配造成的，属正常偏析。 （2）宏观正常偏析发生在逐层凝固时，由于溶质再分配造成的。

枝晶偏析：由于非平衡结晶造成枝晶各部分的成分不均匀，此时结晶以 枝晶

方式生长的。

3、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；

4、计算Al—Cu 4%合金铸锭在砂型中凝固时共晶体所占比例，并绘制出等浓度线的示意图。 答： CL?C0fL0

铸造合金熔炼：P228 /图10-20 CL?33.2 k0?**k?15.7?0.17 33.233.2?4fL0.17?1 ?0.83lgfL?lg8.3 lgfL??0.92??101 10.8fL?0.08?8%，有8%的共晶体，等浓度线分别见 P158 /图6-2 。

5、宏观正常偏析形成的条件是什么？为什么在实际生产中宏观正常偏析并不多见？ 答：宏观正常偏析的条件：逐层凝固时的单向凝固时。 实际生产中单向凝固的情况较少。

6、根据式（6-6）计算Al—Cu 4%合金和Al—Cu 1%合金铸件表面层同的平均含量，从计算 结果分析逆偏析的形成过程。 答：（1)

C0?4%

cs??kc(1?f)00os_1(k0?1)gdfs

vg?(1??)(1?) 表面层

uv?0 ?g?1??

??0.057Cs??0.17?4(1?fs)0?1(0.17?1)(1?0.057)dfs

??0.68(1?fs)?0.88dfs01?1(1?fs)?0.88?110?0.88?1??5.67(1?fs)0.1210?5.67?0.68? （2）C0??1% 取 ??0.057

0.17?1Cs??(1?fs)0.1210?1.42

0.12 逆偏析形成过程：P166

7、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。

8、以Cu—Zn 30%和Cu—Sn 10%两种合金生产铸件，哪种合金形成第二相的可能性大？哪

种合金的逆偏析倾向性大？

答： Cu—Sn 相图 （ 合金熔炼P246 ） CL?25.5 k0?*13.5?0.53 25.5

25.5?10?fl

0.53?1?2.55?fL?0.47??0.47lgfL?lg2.550.41?lgfL????0.86?fL?0.14?14%0.4732.5?0.87 37.5

Cu—Zn 相图（ P256） CL?37.5 k0?

*37.5?30fL0.87?1??0.13lgfL?0.097?lgfL??0.75?fL?0.18?18% Cu—Zn 第二相可能性大； Cu—Sn 逆偏析倾向较大； Cu—Zn：

1084.5?903??4.84 37.5?T??mc0(1?k0)k0?4.84?30?(1?0.87)0.87?21.7℃mZn?? Cu—Sn：

1084.5?799??11.20 25.5?T??mc0(1?k0)k0?11.20?10?(1?0.53)0.53?99.3℃mSn??9、试分析常见气体以不同形态存在时，对铸件质量的影响。 答： 热力学方面： ①温度和压力（总体分压） S?k0Pexp(1? P? S?

?H?0时 T? S?

?H) 2RT ?H?0时 T? S? ② 金属蒸汽压（实际是通过影响分压）。 ③ 合金影响

a、对活泼系数的影响 fhA???%H??

b、生成化合物的影响（是属于热力学还是动力学？） c、对金属蒸汽压及气体分压的影响

Al?PH2??S?Mg?P蒸汽??S?

④ 复合气体：受对方浓度的影响

动力学因素：

合金对金属表面膜的影响：致密与疏松； 金属与气体作用时间；

10、试从相变理论讨论气体的生核、生长过程，并阐述衬底的湿润能力对气泡生核和脱离的

影响？

答：从相变理论：在凝固过程中由于溶质再分配造成了局部金属液含气量cx?sL，则析出

气体，此气体的析出是一个相变过程，和金属液析出金属晶体一样，同样要有生核、成长过程。

若完全以纯气泡的形式生核时，J→О，生核率几乎为0，就以借助于金属液中的异

相提供衬底而生核，生核就需能量。 E??(Pn?P0)V??s?1???Sc?(1?COS?)? S? 生核后要生长，其条件：Pn?P0 Pn?PH2?PN2?PO2?........ P0?Pa?Ph?2? r ?角的影响：

???E??易生核??(?90?），易于脱离衬底而上浮

11、在潮湿地区或雨季，铝合金、钢合金铸件因产生析出性气孔缺陷而大量报废，试分析其原因及防止措施。

答： 潮湿地区或雨季， H2O较多，造成金属液与H2O接触。

2H2O?2H2??O2? H2?2?H?? 溶解到金属液中，所以在金属凝固过程

中析出H2，造成气孔。 防止途径：

（1）减少金属液的原始含气量Cn

a、减少各种气体的来源； b控制熔炼温度； c、采用真空熔炼

（2）对金属液除气处理

a、浮游去气 b、真空去气 c、氧化去气 d、冷凝除气 （3）防止气体析出

a、提高铸件冷却速度 b、提高金属液凝固时的外压／

12、汽缸盖（HT200）因存在气孔而泄露，用电子探针检查发现气孔避 Al Si Mn Ca等元素

含量较高，试判断该气孔的性质和产生途径。 答：反应性Η气孔 。

Al Si Mn Ca 等强氧化性元素，

)?H2? Mt?H2O?(Al2O3、SiO2、、、、、 H2??H?， 溶解到金属液中。

13、铸件中的皮下气孔有哪些共同特点？说明为什么？皮下气孔形成过程分哪几个阶段？在

每个阶段哪些因素起主导作用？ 答：(1) 形成的共同特点 P185

形状：球状 裂纹 多为长条状垂直于铸造表面；

位置：皮下 1 ～ 3 mm；

（2）说明:与铸型反应时根本原因，但与原始C0有关； 溶质扩散到一定阶段，随枝晶生长时析出；

浇注层助于吸收[Ν] [Η]的因素，使皮下气孔↑（如浇注温度高）。 （3）皮下气孔的形成阶段及主导因素：

①界面处反应：金属氧化，铸型燃烧热分解等，铸型成分； ②气体被吸收、扩散：扩散原子（数量 温度等）； ③随结晶析出长大 ：结晶速度（溶质再分配）。

14、试分析金属中气体与杂质的关系。

答：

（1）气体是夹杂物来源：氧化物、氮化物 包括溶入金属中的[Ο] [Ν] 及脱氧时产生的，

凝固过程中析出的低熔点的共晶及化合物。即：以化合物形式存在的气体则为非金属夹杂物。

（2）气体可以带出夹杂物：去气处理时，使气体大量浮出可带出夹杂物。 （3）夹杂物作为气泡生核衬底：析出性气孔 渣气孔。

（4）夹杂物也可形成气体：?FeO???C???Fe??CO? ，对皮下气孔，形

成夹杂物同时产生气体,Mt?H2O?MtnOm?H2?

金属液表面逸出气体，减少O 的分压，减少氧化夹杂物。

15、试述浇注前和浇注过程中形成的非金属夹杂物在生产过程中有何异同？其成分和组成有

何异同？ 答：浇注前：

夹杂物的生成过程是化学反应的平衡移动问题

成分和组成：多种形式：液态、固态 ，简单、复杂氧化物、硫化物。 浇注时：

时间短，氧通过扩散发生反应，未达平衡。 成分和组成：简单氧化物。 16、证明 ｍ′＞ｍ 时，发生化学反应。

x?Mt??y?O??MtxOyK?

11?xaMtaoym11

?xy'aMtam(实际）0(实际）J?

m'?m时， ?F?0，发生氧化反应。

?F??F0?RTlgJ??RTlnK?RTlnJ11??RTln?RTln'mmm?RTln'm17、 缩孔和缩松的形成原因和形成条件，以及防止措施有何异同？ 答：

形成原因 条件 防止措施 顺序凝固： 缩孔 ?V液??V凝??V固 逐层凝固 浇注系统、位置； 冒口、冷铁； 加压、悬浮铸造； 缩松 ?V液??V凝??V固 糊状凝固 同上 主要： 加压补缩、热节静压 显微 缩松 均存在 ?V液??V凝??V固 Ps?Pg?Pa? 2??PHr机械振动、电磁场、 离心力等。 措施不同：仅为防止缩松可采用同时凝固，但可能出现缩松。

18、宏观缩松和显微缩松在形态、分布特征和形成过程上有何区别？与气体析出相伴生成的显微缩松的形成条件是什么？对铸件质量有和影响？如何防止和消除显微缩松？ 答：宏观缩松：

形态： 铸件内部比较密集的小孔洞，可见到枝晶末梢。 分布：冒口下、浇口根部、厚大热节中心、铸件轴线处。

形成过程：凝固区域较宽，倾向于糊状凝固方式时，固液态收缩和凝固收缩到形成的

细小孔洞分散且得不到外部金属液的补充而造成的（枝晶分隔后的熔池）。

显微缩松：

形态：与微观气孔很难区分，且经常同时发生的，显微镜下才能观察到。 分布：晶间和分枝之间，各种金属铸件或多或少都存在。 形成过程：枝间或分枝间液体收缩得不到补充。 与气体伴生的条件：Pg?Ps?Pa?2??PH r 对铸件质量影响：1）降低铸件力学性能，尤其冲击韧性、延伸率↓↓ 2） 降低铸件的气密性和物理化学性能 3）一般铸件常常不作为缺陷

防止和消除：

在高压下浇注和凝固，机械振动、电磁场离心力、减少气体、控制晶粒大小。 19、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

20、试分析Zn —Al 28%合金在砂型中铸造易产生底部缩孔的原因。 答：Zn —Al 28%

Zn： 7.13g/cm3 熔点：419.5 ℃； Al： 2.7g/cm3 熔点：660.23℃； Zn在底部且后凝固

21、球铁铸件表面容易形成微缩孔，这种微缩孔是表面气体析出压力低于大气压力造成的，试结合球铁凝固特点分析该缺陷产生过程。

答：球铁件表面出现微缩孔，因其糊状凝固特征，到凝固后期，表面仍不形成硬壳，在晶间

最后凝固处收缩得不到补缩，若此处同时存在气体而小于大气压的话，在大气压力的作用下，使此处凹入。

22、wc?0.35%碳钢的?V液?1.6%，过热120℃，其总体积收缩率是多少？ wc?0.35%碳钢的凝固收缩率为 ?V凝?3.0% 线收缩率?L?2.4% 答：?V液?1.6% ?V凝?3.0%

?V固?3?L?3?2.4%?7.2% ??V?(1.6?3.0?7.2)%?11.8% But

?V固??V液??V凝

23、试分析热裂与偏析以及与缩孔之间的关系： 答：偏析与热裂

（4）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。

（5）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。

（6）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

（1）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。

（2）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

24、晶间液膜的形态对形成热裂纹有何影响？共晶成分的合金在凝固后期也有液膜存在，为什么产生热裂的倾向小？合金中存在能生成低熔点物质的元素，增大合金的热裂倾向性，但合金在凝固末期存在一定量的液体又可防止热裂，试分析之。 答：

（1）晶间液膜的形态对形成热裂纹的影响

?SS?2?SLcos

?2

?cos?ss22?sl? ? ：液体双边角，0°～ 180° 液膜从铺展液膜到球状不铺展而变化，热裂倾向逐渐减轻。 ① θ＝0° 时，枝晶间的液体铺展成液膜，其界面张力将两侧的固体枝晶吸附在一起。液

膜的结合力很低，合金呈脆性，很小的应力就能使晶间断裂，形成裂纹。

② 晶间残存少量以弧形式存在的液体，此时，在外力作用下，液体汇聚部位产生应力集

中，当应力大于合金此时刻的强度时，形成微裂纹。 （2）共晶成分

因?TR较小，不易热裂； 凝固温度低，收缩量小； 树枝晶不发达，晶间液体易流动。 （3）存在一定量的液体可愈合热裂纹。

25、一种简单的鉴定合金由于收缩受阻产生热裂的装置如下图所示。试说明法兰盘距离越长而不产生热裂的合金，其抗裂性越大。

答：法兰盘间距L越长，线收缩量εL*L越大，应力则大，若不裂，则说明高温时强度高，

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