凝固原理

2012年凝固原理

考试题型 （分数是预估的） 名词解释 15’ 简答 25’ 公式推导 25’ 计算 35’

一、绪论 （基本不考）

二、基础概念（名词解释，简答） 凝固组织三晶区； 溶质再分配

1铸锭的典型凝固组织结构特征是什么？如何改变不同结构组织之间的比例？ 三晶区，各个影响因素

2冷却速率是由哪些因素决定的？体散热和一维方向散热最终产生什么样的组织？（应该不考）

散热的那张PPT

3合金的结晶温度和哪些因素有关系？ 结晶温度那张PPT

4什么是溶质再分配？从热力学上和统计学上如何解释?

溶质再分配：浓度均匀的合金液在凝固过程中固相浓度与液相浓度处于平衡但浓度不同的现象。需要记忆，如果是简单题的话，热力学和统计学上的解释也要知道，PPT上有的 5平衡分配系数？有效分配系数？非平衡分配有效系数？

溶质再分配中介绍的，K0=Cs/CL 及这章节的最后一张PPT上平衡凝固分配系数，有效凝固分配系数，非平衡凝固分配系数。

三、形核和界面结构（名词解释，简答，公式推导） 形核的热力学条件，过冷度（理解，公式推导）； 界面结构与生长机制（概念理解） 1 推导均质形核过程中临界形核半径和临界形核功的表达式

可能会出推导题，原来金属学上有学过，现在再练习一遍吧。 2 试证明在同样过冷度下均匀形核时,球形晶核较立方晶核更易形成

ΔG=－ΔGvV+σLSS 在相同体积的情况下，球形晶核的表面积要小于立方晶核。 3 液固界面的微观结构和宏观结构是如何分类的？（这题需要理解记忆）

界面微观（原子尺度）结构：假定在一界面上，该面上有N个位置，这些位置上占满了原子，有属晶体的， 如果有近50%的原子属于晶体，近50%的原子属于液相，称为粗糙界面； 如果有近0%或100％ 的原子属于晶体，称为光滑界面 ；

界面的生长方式：

完整光滑界面：从原子或分子的层次来看，没有凹凸不平的现象，固液两 相间发生突变，层状生长，层与层之间的界面不是一个连续 的过程

非完整光滑界面： 界面上有位错露点头，层状生长，连续的生长 粗糙界面： 凹凸不平，连续的生长

四、传热（概念、简答、公式推导、计算都可能） 一些基本概念（传输原理的时候都学过），傅里叶定律和导热微分方程（必须掌握），铸件与铸型的热交换，多层平壁导热，绝热铸型传热（一维），数值模拟步骤 这章的作业计算题，背也得背下来啊！ 1推导导热微分方程． 必须自己会推啊！

2试述导热系数，热扩散率，热阻，稳态传热的意义 这些概念类的，在名词解释和简答都会出现的 导热系数或热导率λ: 物质导热能力的大小；沿导热方向的单位长度上,温度降低1摄氏度,单位时间内通过单位面积的导热量。

热扩散率α=λ/ρc：表征热在物体内扩散的快慢，其值大，说明物体的某一部分一旦获得热量，该热量在整个物体中很快扩散。

热阻：R=δ/λ=ρδ 对于同样的热流，热阻越大，温降越大。

稳态传热：凡是物体中各点温度不随时间改变的传热过程均称为稳态传热。 3什么是一维半无限大传热问题，请举例．

一维问题，长度和宽度远大于厚度的无限大平壁.实践经验表明,当平壁长度与宽度比厚度大8—10倍时,该平壁的导热就可近似为一维问题来处理 单层平壁导热：平壁中的温度分布和热流密度分布 4铸件－中间层－铸型的传热特点

定义两个参数: 表征铸件与中间层，中间层与铸模之间热交换强度的准则.K1, K2； 讨论K1 ，K2的各个情况下的铸件-中间层-铸型的传热情况 5传热的数值模拟步骤是什么？

数值模拟方法的实质是将区域划分成一个个小单元，设想每个单元内的温度和物性均匀，从而以代数方程近似代替偏微分方程，代入初始条件和边界条件，逐个单元反复进行计算，得到近似结果。

1）区域划分（网格化）：网格化是将所要分析的区域划分成一个个小单元。

2）方程的离散及求解，先用差商代替微商，记自变量x 的增量为△x，对于一阶微商；在给定的初始条件和边界条件下，对离散的各网格点进行迭代求解。

五、溶质再分配及组织形态（公式推导 ，概念 ） 溶质再分配（PPT上两处出现了同样的公式推导过程，知道重要了吧）； 夏尔方程 ；成分过冷

都自己看PPT推导一遍吧，理解一下

假设结晶过程中的某一瞬间，固液两相在界面处的成分分别为CS，CL； 相应的质量分数分别为fS 和fL；

当界面处的固相增量为dfS时，其排出溶质量为(CL－CS )dfS 相应地使剩余液相fL=(1－fS)的浓度升高dCL

fLdCL?(CL?CS)dfS

?CLC0dCL?CL(1?k0)?fs0dfs1?fs?k?1?

*CS?kC0?1?fS??1fs?1??(T?TL)?1?mC0??1k?0?1 共晶温度时的反应前的液相共晶量?CEfE???C???0?1?k0?1 这个夏尔方程的推导是必考内容，要不要会就随便你自己了。

各个情况下的浓度分布情况的图，看作业，不管理解不理解，会画就好了

成分过冷也是必考内容，1）合金液相线的温度随成分变化；2）在凝固过程中溶质再分配，凝固界面前沿溶质分布不均匀，出现富集层，导致液相中各处平衡结晶温度不同；3）也相中存在一个实际的温度分布；4）如果固液界面前沿的实际温度低于该处的平衡结晶温度，出现了液态金属过冷区，这个过冷就是有界面前沿成分变化引起的。所以称为成分过冷。 成分过冷的形成条件（不知道为什么打不上来，自己去PPT上看吧）

这章的两大题作业也是要考的，总共就3道作业题，要考2个计算，被也得背下来是吧。 枝晶，共晶，包晶的概念，过程看看，了解一下，记住大标题就好了，里面具体公式和影响因子可以不用。

1 推导夏尔方程。 一定要会的

2 推导固相无扩散,液相内溶质原子仅为有限扩散时的液固界面前方溶质分布方程. 关于溶质再分配的方程，也要会的

3 四种条件下一维凝固后,画出溶质的分布示意图。

不同溶质平衡分配系数下和不同对流强度下凝固后溶质的分布示意图。 反应后的示意图，复习的时候强调过，学画一下吧。 4 推导成分过冷判别式

自己推一下，这个是必考，不在计算上面，就要公式推导，理解一下 5 成分过冷程度所对应的组织形态。

PPT上有的，G1，G2，G3三种情况不同讨论，忘记要不要考了

六、对流及其对组织和缺陷的影响（简答） 通道偏析（必考，个人以为会以简答形式）

两相区枝晶间A处富集密度较小的元素，包括杂质S、P等，对应的浓度在相图上a点，使得枝晶间液体的密度减小，在重力作用下，当此处密度与大块液体的密度差足够大时，将产生向上的流动.

假设这一液体流动到B处， B处的温度较高，溶质浓度较低，由于金属的导热系数大，使得流体的温度迅速升高，偏离平衡状态（b′点），为了达到平衡点b，必须降低溶质浓度，只有通过溶解周围的固相枝晶骨架（其浓度为bS），才能达到这一目的，在溶解了一部分固相枝晶骨架后，其浓度为b〞。这种溶解过程，造成流动的通道，使得枝晶间液体更易从这里流动，一直保持畅通，直到全部凝固结束，富集杂质的液体充满了通道，从而造成通道偏析。

1 何谓通道偏析？它是由什么原因引起的？（就在上面） 2 流动对传热、传质和凝固组织产生的影响。

宏观上，流动加速传热，传质，降低温度梯度和浓度梯度，影响柱状晶生长方向和间距，促进柱状树枝晶向等轴晶转变，从而细化晶粒。 微观上，改变了液固界面前沿的浓度和温度环境。

七、连铸技术

连铸: 把液态金属熔体用连铸机浇注,冷凝,切割而直接得到铸坯的工艺. 铸坯凝固冷却过程分为四个阶段:

1) 钢液在结晶器中快速冷却,形成薄的坯壳.

冷却速度较快, 铸坯表面温度明显下降.

2) 随着凝固壳增厚,铸坯收缩,坯壳与结晶器壁间产生气隙 冷却速度减慢

3) 坯壳具有足够的厚度时,铸坯从结晶器中拉出, 在二冷区受到强烈的喷水冷却,中心逐渐凝固.

4) 铸坯在空气中较缓慢地冷却.

铸坯中心的热量传递到外层,表面温度回升. 趋于均匀.

一冷区：结晶器 作用：在尽可能高的拉速下保证铸坯出结晶器时形成需要形状并有必要厚度的坯壳，以抵抗钢水静压力而不拉漏；其坯壳厚度要周边均匀，以减少裂纹等的形成； 传热三方向：上表面辐射很少，铸坯向下运动带走热量，仅占总散热的3－6％,通过结晶器的传热，即横向传热为94-97%。 二次冷却的要求：

1)冷却效率要高，加速热量的传递；

2)喷水量合适，使冷却均匀，铸坯表面的温度分布波动小； 3)铸坯在矫直前完全凝固, 或切割前完全凝固; 4)拉速增加，冷却强度相应要增加。 影响二冷区传热的因素:

1) 铸坯表面温度; 2) 水流密度; 3) 水滴速度; 4) 水滴直径; 5) 铸坯表面状态;

6) 喷嘴的结构和使用状况. 1 连铸机主要由哪些部分构成？

熔体包 中间包 滑动水口 结晶器，一冷区 二冷空冷，拉矫辊 剪切装置

2 连铸坯典型的组织结构是什么？

宏观组织：由表面细晶区，柱晶区和中心等轴晶区组成。表面细晶区：2—5mm。 3 结晶器内的传热特点？影响它的传热因素主要由哪些？

传热三方向：上表面辐射很少，铸坯向下运动带走热量，仅占总散热的3－6％,通过结晶器的传热，即横向传热为94-97%。 影响结晶器传热的因素:

1)结晶器结构参数对传热的影响（结晶器锥度;结晶器长度;结晶器铜壁厚度;结晶器材质.） 2) 操作因素对结晶器传热的影响;（冷却水流速和流量；冷却水质；结晶器润滑；拉速；浇注温度）

3) 钢水成分的影响. 4 二冷区的传热特点?

水滴在铸坯表面的蒸发传热：33% 传递给支撑棍的热量：17%

铸坯表面向空气中的热辐射：25% 水滴流动带走热量：25%

5 连铸坯常见的表面缺陷和内部缺陷有哪些？ 1）各种类型的表面裂纹: 裂纹产生原因:

铸坯形成过程中,坯壳和液固界面的受力状况; 钢在高温下的机械性能. 裂纹类型:

表面纵裂纹: 初生坯壳厚度不均匀. 角部纵向裂纹:和方坯的形状缺陷有关. 表面横裂纹和角部横裂纹:

星型裂纹:热坯壳与结晶器铜壁接触铜熔化造成的 2）内部裂纹

在凝固前沿发生的.

原因:在冷却,弯曲和矫直过程中,铸坯的内部变形率超过该钢中允许的变形率. 裂纹类型:

中间裂纹，二冷下段,铸坯表面温度回升造成的 中心线裂纹，凝固末期铸坯心部的收缩造成的 对角裂纹，和方坯的脱方有关. 矫直弯曲裂纹.

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