《材料成形原理》重点及作业答案

一、名词解释

1、 粘度－表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。或作用于液体表面的应力τ大小与垂直于该平面方向上的

速度梯度dvx/dvy的比例系数。

2、液态金属的充型能力－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。

液态金属的流动性越强，其充型能力越好。

3、液态金属的流动性－是液态金属的工艺性能之一，与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。稳定温度场通常

是指温度不变的温度场。

4、均质形核和异质形核－均质形核(Homogeneous nucleation) ：形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从液相自身发生

形核的过程，亦称“自发形核” 。非均质形核(Hetergeneous nucleation) ：依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生核过程，亦称

“异质形核”。金属结晶过程中，过冷度越大，则形核率越高。实际液态金属（合金）凝固过程中的形核方式多为异质形核。

5、粗糙界面和光滑界面－从原子尺度上来看，固－液界面固相一侧的点阵位置只有50％左右被固相原子所占据，从而形成

一个坑坑洼洼凹凸不平的界面层。粗糙界面在有些文献中也称为“非小晶面”。

光滑界面—从原子尺度上来看，固－液界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子占满，只留下少数空位或台阶，从而形

成整体上平整光滑的界面结构。也称为“小晶面”或“小平面”。

6、 “成分过冷”与“热过冷”－液态合金在凝固过程中溶质再分配引起固－液界面前沿的溶质富集，导致界面前沿熔体液相线

的改变而可能产生所谓的“成分过冷”。这种仅由熔体存在的负温度梯度所造成的过冷，习惯上称为“热过冷” 。

7、共生生长－是指在共晶合金结晶时，后析出的相依附于领先相表面而析出，进而形成相互交叠的双相晶核且具有共同的

生长界面，依靠溶质原子在界面前沿两相间的横向扩散，互相不断地为相邻的另一相提供生长所需的组元，彼此偶合的共同向前

生长。

8、离异生长－两相的析出在时间上和空间上都是彼此分离的，因而形成的组织没有共生共晶的特征。这种非共生生长的共

晶结晶方式称为离异生长，所形成的组织称离异共晶。

9、择优生长－那些主干取向与热流方向平行的枝晶，较之取向不利的相邻枝晶生长得更为迅速。它们优先向内伸展并抑制

相邻枝晶的生长。在逐渐淘汰趋向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。这种互相竞争淘汰的晶体生长过程称为晶体的择优生长。

10、 快速凝固－是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。

12、 溶质再分配－由于合金凝固过程中随温度的变化，固液界面前沿溶质富集并形成浓度梯度。所以，溶质必须在液、固

两相重新分布，即所谓的“溶质再分配”。

13、定向凝固原则：定向凝固原则是采取各种措施，保证铸件结构上各部分按距离冒口的距离由远及近，朝冒口方向凝固，冒口

本身最后凝固。

14、偏析答：铸件凝固后，从微观晶粒内部到宏观上各部位，化学成分都是不均匀的，这种现象称为偏析。

15、粗糙界面－从原子尺度上来看，固－液界面固相一侧的点阵位置只有50％左右被固相原子所占据，从而形成一个坑坑洼洼凹

凸不平的界面层。粗糙界面在有些文献中也称为“非小晶面”。

两个组元熔点相近、两条液相线基本对称、两相长大速度基本相同的非小晶面—非小晶面合金，容易形成对称型共生区。

1、液态金属或合金中一般存在起伏，其中在一定过冷度下，临界核心由结构） 起伏提供，临界生核功由 能量 起伏提供。

2、液态金属的流动性主要由

3、液态金属（合金）凝固的驱动力由提供，而凝固时的形核方式有 种。

5、铸件凝固过程中采用

6、孕育和变质处理是控制金属（合金）铸态组织的主要方法，两者的主要区别在于孕育主要影响改变 晶体的生长过程 。

7、铸造合金从浇注温度冷却到室温一般要经历

8、铸件中的成分偏析按范围大小可分为

二、判断题（在括号内打“√”或“x”，每小题0.5分，共10分）

3．在液态金属结晶中，均质生核与非均质生核所需的生核功不同，因此所生成的临界半径也不一样。 ( x )5．在非均质生核中，外来固相凹面衬底的生核能力比凸面衬底弱。 ( x )

( x )

二、简答题

1 实际液态金属的结构：实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇、空穴所组成，同时也含有

各种固态、液态或气态杂质或化合物，而且还表现出能量、结构及浓度三种起伏特征，其结构相当复杂。

2、液态金属的形核：液态金属(合金)凝固时的形核有两种方式，一种是依靠液态金属(合金)内部自身的结构自发地形核，称

为 均质形核；另一种是依靠外来夹杂所提供的异质界面非自发地形核，称为非均质形核或异质形核

3、铸件凝固方式的分类：根据固、液相区的宽度，可将凝固过程分为逐层凝固方式与体积凝固方式（或糊状凝固方式）。当

固液相区很窄时称为逐层凝固方式，反之为体积凝固方式。固液相区宽度介于两者之间的称为“中间凝固方式”。

逐层凝固方式容易产生集中性缩孔，一般采用同时凝固原则可以消除；体积凝固方式易产生分散性缩松，采用顺序凝固原则

可以消除此缺陷。具有层状凝固方式的铸件，凝固过程中容易补缩，组织致密，性能好。

4、润湿角是衡量界面张力的标志，润湿角θ≤90°，表面液体能润湿固体。

5、润湿角：润湿角是衡量界面张力的标志，润湿角θ≤90°润湿固体。

6、液态金属凝固时，其中的过热热量和结晶潜热热量一般以传导传热、对流换热和辐射换热三种方式向铸型等外界释放。

液态金属凝固过程中的液体流动主要包括自然对流和强迫对流。 7. 在K0>1的合金中，由于逆偏析，使得合金铸件表层范围内溶质的浓度分布由外向内逐渐降低。

7、 简述Jackson因子与界面结构的关系：Jackson因子α可视为固—液界面结构的判据：凡α≤2的物质，晶体表面有一半空缺位置时自由能降低，此时的固—液界面形态被称为粗糙界面，大部分金属属于此类；凡属α>5的物质凝固时界面为光滑面，有机物及无机物属于此类；α=2~5的物质，常为多种方式的混合，Bi、Si、Sb等属于此类。

8、试写出“固相无扩散，液相只有有限扩散”条件下“成分过冷”的判据，并分析哪些条件有助于形成“成分过冷”。 “固相无扩

GmLC0(1 K0) RDLK0 散，液相只有有限扩散”条件下“成分过冷”的判据：

下列条件有助于形成“成分过冷”：

(1)液相中温度梯度GL小，即温度场不陡。(2)晶体生长速度快（R大）。(3)液相线斜率mL大。

(4)原始成分浓度C0高。(5)液相中溶质扩散系数DL低。(6)K0<1时，K0小；K0>1时，K0大。

9、写出成分过冷判别式（在“固相无扩散，液相为有限扩散”条件下），讨论溶质原始含量C0、晶体生长速度R、界面前沿液相中的温度梯度GL对成分过冷程度的影响，并以图示或文字描述它们对合金单相固溶体结晶形貌的影响。 GLmlC0(1 K0) K0答：成分过冷判别式为：R；

（1） 随着C0增加，成分过冷程度增加； （2） 随着R增加，成分过冷程度增加； （3） 随着GL减小，成分过冷程度增加；

如图所示，当C0一定时，GL减小，或R增加，晶体形貌由平面晶依次发展为胞状树枝晶、柱状树枝晶、等轴树枝晶；而当GL、R一定时，随C0的增加晶体形貌也同样由平面晶依次发展为胞状树枝晶、柱状树枝晶、等轴树枝晶。

10．共晶凝固过程中的共生生长与离异生长（4分） 答：共生生长：共晶结晶时，后析出的相依附于领先析出的相表面析出，两相具有共同的生长界面，依靠溶质原子在界面前沿的横向扩散，彼此偶合地共同向前生长。

离异生长：共晶两相的析出在时间上和空间上是彼此分离的，没有共生共晶的特征。

11、影响灰铸铁和球墨铸铁缩孔和缩松的因素：

（1）铸铁成分 对于灰铸铁，随碳当量增加，共晶石墨的析出量增加，石墨化膨胀量增加，有利于消除缩孔和缩松。

（2）凝固方式 共晶成分灰铸铁以逐层方式凝固，倾向于形成集中缩孔。但是，共晶转变的石墨化膨胀作用，能抵消甚至超过共晶液体的收缩，使铸件不产生缩孔。

（3）孕育处理 球墨铸铁的碳当量大于 3.9％时，经过充分孕育，在铸型刚度足够时，利用共晶石墨化膨胀作用，产生自补缩效果，可以获得致密的铸件。

（4）铸型刚度 铸铁在共晶转变发生石墨化膨胀时，型壁是否迁移，是影响缩孔容积的重要因素。铸型刚度大，缩前膨胀就小，缩孔容积也相应减小，甚至不产生缩孔。

铸型刚度依下列次序逐级降低：金属型—覆砂金属型—水泥型—水玻璃砂型—干型—湿型。

12、试述非小晶面-非小晶面共生共晶组织的生核机理及生长机理。

答：非小晶面-非小晶面共生共晶组织的生核机理如下 ：

如下图（示意图可不画出）所示，晶转变开始时，熔体首先析出富A组元的α固溶体小球。α相的析出促使界面前沿B组元原子的不断富集，且为β相的析出提供了有效的衬底，从而导致β相固溶体在 α相球面上的析出。在β相析出过程中，向前方的熔体中排出A组元原子，也向与小球相邻的侧面方向(球面方向)排出A原子。由于两相性质相近，从而促使α相依附于β相的侧面长出分枝。α相分枝生长又反过来促使β相沿着α相的球面与分枝的侧面迅速铺展，并进一步导致α相产生更多的分枝。交替进行，形成了具有两相沿着径向并排生长的球形共生界面双相核心。这就是共生共晶的生核过程。所以片状共晶结晶是通过搭桥方式(即领先相表面一旦出现第二相，则可通过这种彼此依附、交替生长的方式产生新的层片来构成所需的共生界面，而不需要每个层片

重新生核的方式)来完成

13、简述析出性气体的特征、形成机理及主要防止措施。答： .液态金属在冷却凝固过程中，因气体溶解度下降，析出的气体来不及逸出而产生的气孔称为析出性气孔。这类气孔主要是氢气孔和氮气孔。 析出性气孔通常分布在铸件的整个断面或冒口、热节等温度较高的区域。当金属含气量较少时，呈裂纹多角形状；而含气量较多时，气孔较大，呈团球形。 析出性气体的形成机理是：结晶前沿，特别是枝晶间的气体溶质聚集区中，气体的含量将超过其饱和量，被枝晶封闭的液相内则具有更大的过饱和含量和析出压力，而液-固界面处气体的含量最高，并且存在其他溶质的偏析及非金属夹杂物，当枝晶间产生收缩时，该处极易析出气泡，且气泡很难排除，从而保留下来形成气孔。

13、简述凝固裂纹的形成机理及防止措施。

答：（1）凝固裂纹的形成机理

金属在凝固过程中要经历液-固状态和固-液状态两个阶段，在温度较高的液-固阶段，晶体数量较少，相邻晶体间不发生接触，液态金属可在晶体间自由流动，此时金属的变形主要由液体承担，已凝固的晶体只作少量的相互位移，其形状基本不变。随着温度的降低，晶体不断增多且不断长大。进入固-液阶段后，多数液态金属已凝固成晶体，此时塑性变形的基本特点是晶体间的相互移动，晶体本身也会发生一些变形。当晶体交替长合构成枝晶骨架时，残留的少量液体尤其是低熔共晶，便以薄膜形式存在于晶体之间，且难以自由流动。由于液态薄膜抗变形阻力小，形变将集中于液膜所在的晶间，使之成为薄弱环节。此时若存在足够大的拉伸应力，则在晶体发生塑性变形之前，液膜所在晶界就会优先开裂，最终形成凝固裂纹。

（2）凝固裂纹的防止措施 A 冶金措施： 1）限制有害杂质 2）微合金化和变质处理 3）改进铸钢的脱氧工艺 4）改善金属组织 5）利用“愈合”作用

三、计算题

1、过共析钢液η=0.0049Pa﹒S，钢液的密度为7000kg/m3，表面张力为1500mN/m，加铝脱氧，生成密度为5400 kg/m3的Al2O3 ，

如能使Al2O3颗粒上浮到钢液表面就能获得质量较好的钢。假如脱氧产物在1524mm深处生成，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。

2g( m B)r2

9 答： 根据流体力学的斯托克斯公式：，式中： 为夹杂物和气泡的上浮速度，r为气泡或夹杂的半径，ρm为

液体合金密度，ρB为夹杂或气泡密度，g为重力加速度。

r

9 1.34 10 42g( m B)m

2、某二元合金相图如右所示。合金液成分为CB=40%，置于长瓷舟中并从左端开始凝固。温度梯度大到足以使固-液界面保持平

面生长。假设固相无扩散，液相均匀混合。试求：①α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?③凝固后的试棒中溶质B的浓度沿试棒长度的分布曲线。

解：（1）平衡分配系数K0 的求解：

由于液相线及固相线均为直线不同温度

和浓度下K0为

定值，所以：如右图，

当T=500℃时，

C30% C K0 =L=60%=0.5 K0即为所求 α相与液相之间的平衡分配系数. （2）凝固后共晶体的数量占试棒长度的百分数的计算:

由固相无扩散液相均匀混合下溶质再分配的正常偏析方程

C C0fL L(K0 1)*CL 代入已知的= 60％ , K0 = 0.5, C0= CB=40%

可求出此时的fL= 44.4％

由于T=500℃为共晶转变温度,所以此时残留的液相最终都将转变为共晶组织,所以凝固后共晶体的数量占试棒长度的百分数也即

为44.4％.

（3）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)如下:

m3、A-B二元合金原始成分为C0=CB=2.5%，K0=0.2，L=5，自左向右单向凝固， 固相无扩散而液相仅有扩散（DL=3×10-5cm2/s）。

达到稳定态凝固时，求

(1)固-液界面的

**CS和CL；(2)固-液界面保持平整界面的条件。

解：（1）求固-液界面的**CS和CL ：

C*L

由于固相中无扩散而液相中仅有限扩散的情况下达到稳定状态时，满足：

代入C0=CB=2.5%，K0=0.2

即可得出： C0K0 ，C*= C S0

C*L C02.5%K0=0.2=12.5％ C*= C= 2.5％ S0

(2)固-液界面保持平整界面的条件 ：

当存在“成分过冷”时，随着的“成分过冷”的增大，固溶体生长方式 将 经历：胞状晶→柱状树枝晶→内部等轴晶（自由

树枝晶） 的转变过程，所以只有当不发生成分过冷时，固-液界面才可保持平整界面，即需满足 mLC0(1 K0)GDLK0 代入mL=5，C=C=2.5% ，D=3×10-5cm2/s ， K=0.2 R ≥0BL0

GL

可得出：R ≥1.67×104 ℃/cm2s即为所求.

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