材料加工原理 - 图文

液态成型部分思考题： 名词解释： 1、 自发形核

由游动的原子集团自己逐渐长大而形成晶核的过程，因此，也称均质生核。 2、 非自发形核

在外来质点的表面上生核的过程，也称为异质生核。 3、 气孔

金属中的气体含量超过其溶解度，或浸入的气体不被溶解，则以分子状态存在于金属液中，若凝固前来不及排除，铸件将产生气孔。 4、 非金属夹杂物

金属在熔炼与铸造过程中，与非金属元素及外界物质接触发生相互作用而产生的各种化合物。 5、 离异共晶

共晶成分的剩余液体也可能不采取共生生长的方式结晶，而是两相各自独立生长，所得的组织中没有共晶的特征。这种两相不是以共同的界面生长的方式成为离异生长，所得的组织成为离异共晶。 6、 带状偏析

当固液界面由于过冷递减，固液界面向前推进受到溶质偏析的阻碍时，由于界面前方的冷却，从侧壁上可能产生新的晶粒并继续长大，从前方横切溶质浓化带，形成带状偏析。 7、 逆偏析

铸锭和铸件凝固后，铸锭的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。 8、 残余应力

当产生铸造应力的原因被消除以后，应力仍然存在，这种应力成为残余应力。 9、 缩孔

铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞，称为缩孔。 10、 缩松

细小而分散的孔洞称为分散性缩孔，简称缩松。 11、 铸造应力

铸件在凝固以后在冷却过程中，将继续收缩。有些合金还会发生固态相变而引起收缩或膨胀，这些都使铸件的体积和长度发生变化。此时，如果这种变化受到阻碍，就会在铸件内产生应力，称为铸造应力。 12、 粘度

液体在层流运动的情况下，各液层见有摩擦阻力，称为液体的内摩擦，妨碍液体的流动，这种内摩擦阻力是液态金属的物理特性之一，称为粘度。 13、 表面张力

表面张力系数，其意义是在液膜的单位长度上所受的绷紧力。 14、 单相合金

在凝固过程中只析出一个固相的合金。 15、 多相合金

在凝固过程中同时析出两个以上相的合金。 16、 邻先相

两个共晶相得析出次序和生长速度是不相同的，就是说，在两个相的生核和生长中必有一个相位先导。由于次相的析出，引起溶质的富集而导致另一相的析出和生长，此相成为领先相。 17、 溶质再分配

凝固时固相中不能容纳的B原子被排挤出来，富集在界面上的液体中，然后逐渐向液体内部扩散均化。这种成分分离的现象称为溶质元素的再分配。 18、 成分过冷

由于溶质原子在晶体长大过程中再分配所引起的过冷，称为成分过冷。 19、 平衡凝固

凝固过程中的每个阶段都达到平衡，即相变过程中有充分时间进行组元间的扩散，以达到平衡相的成分。

问答题：

1、 铸造液态合金概貌是怎样的？为什么说液态合金的结构更接近于固态合金？

体积只膨胀3～7％，即原子间距平均只增大1～1.5％熔化潜热只占气化潜热的3～7 ％ 金属由固态变成液态时，原子结合键只破坏一个很小的百分数，只不过它的熔化熵相对于固态时的熵值有较多的增加，表明液态中原子热运动的混乱程度，与固态相比有所增大。 比热容，与固态相比虽然稍大一些，但具有相同的数量级。 液态金属在结构上更象固态而不是汽态，原子之间仍然具有很高的结合能。液态金属是由游动的原子团构成。液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为能量起伏。 由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时大时小，此起彼伏的，称为结构起伏。对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动瞬息万变，这种现象称为成分起伏。 2、 液态合金物理性质包括哪些内容？

①熔点和熔化热②沸点和蒸发热③液态金属的热膨胀及固态收缩④导电性⑤导热性⑥液态金属中的扩张速度 3、 合金液的粘度、表面张力对铸件质量有何影响？

液态金属中往往含有气泡或其他非金属夹杂物，如在金属浇入铸型或凝固以前，能排出留在铸件内，就会影响铸件质量。液体的粘度越大，杂质半径越小，液体与杂质的密度差越小，杂质沉浮速度越慢，留在铸件的可能性越大。表面张力对薄壁铸件，铸件的细薄部分和棱角的形成有影响，型腔越细薄，棱角的曲率半径越小，表面张力的影响力则越大。

4、 分析不同合金的停流机理 (这题题目有问题！估计是图丢了!)

图a为纯金属.、共晶成分合金和结晶温度范围很窄的合金停止流动机理示意图，在金属的过热量未散失尽以前为纯液态流动（图a），为第一区。金属液继续流动，冷的前端在型壁上凝固结壳（图b），而后的金属液是在被加热了的沟道中流动，冷却强度下降。由于液流通过Ⅰ区终点时，尚具有一定的过热度，将已凝固的壳重新熔化，为第Ⅱ区，所以该区是先形成凝固壳，又被完全熔化。第Ⅲ区是未被完全熔化而保留下来的一部分固相区，在该区的终点金属耗尽了过热热量。在第Ⅳ区里，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（图c）。图b为结晶温度范围很宽的合金的停止流动机理示意图。在过热热量未散失尽以前，也以纯液态流动。温度下降到液相线以下时，液流中析出晶体，顺流前进，并不断长大。液流前端不断与冷的型壁接触，冷却最快，晶粒数量最多，使金属液的粘度增加，流速减慢。当晶粒达到某一临界数量时，便结成一个连续的网络。液流的压力不能克服此网的阻力时，发生堵塞而停止流动。 5、 如何提高充型能力

1）金属方面的措施 正确选择合金的成分以及合理的熔炼工艺 2）铸型方面的因素 提高铸型的蓄热系数、铸型的温度、铸型中的气体 3）浇注方面的因素 提高浇注温度，提高充型压头，简化浇注系统结构 4）铸件结构方面的因素 提高当量厚度，简化铸件的复杂程度 6、 在铸件凝固时，为什么应重视断面温度梯度？

在整个热传导过程中，铸件断面上的温度分布实际上是均匀的，铸型内表面的温度接近铸件的温度。由此可以推断温度梯度G并作为成分过冷判据。 7、 铸件的凝固方式决定于哪些因素？与铸件的质量有什么关系？

铸件的凝固方式决定于合金的结晶温度范围与温度梯度的比值确定的。<1 时，铸件的凝固趋近于逐层凝固方式，>1时趋近于体积凝固方式。 8、 自发形核与非自发形核机理

自发形核：由游动的原子集团自己逐渐长大而形成晶核的过程，因此，也称均质生核。非自发形核：在外来质点的表面上生核的过程，也称为异质生核。

1

9、 何谓界面共格对应原则？

质点表面（作为衬底）的原则排列规律和间距与新相相近，即符合相位尺寸对应原则或更明确些可称为界面共格对应原则 10、 晶体生长的本质是什么？

是液体中原子向晶体表面堆砌的过程，也是固液界面向液体中不断推移的过程。 11、 固液界面的结构对晶体的生长方式和生长速度有什么关系？

晶界的结构对原子的堆砌方式和堆砌速度有很大影响，从而影响着晶体的生长方式、生长速度和最终的形态。粗糙界面为连续生长。平整界面为二维形核或螺位错生长、

12、 解释三种非平衡结晶组织：非共晶成分的合金结晶得到100%的共晶组织；共晶成分合金结晶得不到100%的共晶组织；离异共晶

前两者是因为伪共晶区的存在。共晶成分可能也不在此区内。非共晶成分也有可能在此区内。离异共晶：共晶成分的剩余液体也可能不采取共生生长的方式结晶，而是两相各自独立生长，所得的组织中没有共生共晶的特征。这种两相不是以共同的界面生长的方式称为离异生长，所得的组织称为离异共晶。 13、 液态金属的流动对结晶间生哪些影响？

1）顶部晶体的沉积2）型壁上晶体的脱落3）枝晶分枝的熔断脱落 14、 何谓晶体增殖？它对铸件宏观组织有何影响？

由于液体内部温度高和温度起伏，脱落的晶体下沉或上浮的过程中可能产生晶体繁殖，即在低温区生长而在高温区熔化，甚至一个晶体会碎化成几部分，然后在低温时各自生长，好象晶体产生自我繁殖。它大大增大了液体中的有效晶核，促进等轴晶的获得。使等轴晶都集中在下部，上部则为粗大柱状晶。 15、 为什么希望获得细等轴晶？

等轴晶的晶界长，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒的相位都不同，故性能的方向性小，比较稳定，晶粒越细，其综合性能越好，且抗疲劳性能也较高，所以，对于铸件通常希望获得细密的等轴晶组织。

16、 溶质再分配是如何引起的？讨论成分过冷判据对晶体生长方式的影响？ mC(1?k)G??RDk由于固相的成分都小于C0，凝固时固相中不能容纳的第二相原子被排挤出来，富集在界面上的液体中，然后逐渐向液体内部扩散均化。当 时，

界面前沿的温度G梯度大于及等于 线在界面处的斜率，G与 线不相交，故界面前沿无成分过冷，即是平面生长，即界面稳定性的条件。否则，界面前将出现成分过冷。

17、 共晶结晶的领先相的特点。

一共三类。1。独立形核，自由生长， 球状共晶团。2。 出生相的一部分 半辐射扇形 3. 有约束条件 比如单向（柱状）共晶 18、 偏析和非金属夹杂物有什么不同？

偏析是由于合金进行选择结晶，晶体在成长过程，结晶速度大于元素的扩散速度的结果。非金属夹杂物是金属液体与外界杂质反应产物。 19、 分析晶内偏析和晶界偏析的形成机理，如何减少和去除这两种偏析？

实际铸造条件下，所得的固溶体中，每一个晶粒内的成分都是不均匀的，晶粒内先结晶的部分和后结晶的部分的成分是不同的，这就是晶内偏析。在成分过冷不大的情况下，固溶体合金在结晶时会出现一种胞状结构，当液相内过冷度较大时，结晶时则呈现树枝状结构，胞状结构由一系列平行的棒状晶体所组成，沿凝固方向长大，呈六方断面，六方断面的晶界富集着溶质元素，因此这种偏析也叫胞状偏析。它属于晶界偏析。预防和消除方法：细化晶粒，均匀化退火。 20、 分析带状偏析和逆偏析的形成机理。如何减少和去除这两种偏析？

带状偏析：当液体金属中的溶质的扩散速度低于固体生长速度时，在固液界面将产生溶质偏析，固液界面的过冷下降，由于界面的低减，结晶在固液界面过冷低减较小部位优先生长，此时由于固液界面的前方的过冷相对过大，优先结晶的部位进而长成树枝状，溶质浓化液将被树枝状的晶枝所捕捉，此时枝晶的成长将与邻近的的枝晶连接在一起，结晶前沿的成长又会出现新的停滞，如此重复在铸件断面可能出现数条带状偏析。减少溶质含量，采取孕育措施细化晶粒，提高合金的结晶速度。逆偏析：宽结晶区间的固溶体型合金在凝固时形成粗大的树枝状晶，枝晶相互交错，枝晶间富集着低熔点的溶质，当铸件产生体收缩，低熔点溶质将沿着树枝状晶间向外移动，如果液态合金中溶解有较高的气体，在凝固时将助长逆偏析的形成。可用退火使成分均匀化。 21、 铸件中的气孔和非金属夹杂物对铸件质量产生怎样的影响，是否都是有害的？

气孔对铸件质量影响： 硬脆→使金属塑性和韧性下降 危害：有效工作断面 ↓→ σb↓ δ↓

球形→影响↓；针状、尖角 影响↑↑（应力集中，促使微裂纹形成） 应力集中 →裂纹

疏松 → δ↓气密性 ↓ 耐蚀性↓

低熔点杂质分布于晶粒边界使金属具有红脆性＝>热裂（低熔点相）

非金属夹杂物对铸件质量影响：

好处：杂质高熔点、细小颗粒→非自发形核核心→ 细化组织 危害：连续性，均匀性破坏＝>机械性能 ↓致密性↓耐蚀性能下降。具

L00L0体影响决定于夹杂物的 成分、性能、形状、大小、数量、分布。

沉淀强化—N化物弥散

22、 析出性气孔的形成条件？

液体金属对气体的溶解度随温度变化。温度升高，溶解度变大。冷却凝固，温度降低，溶解度减小，使原子形成气体析出。 23、 铸件中的非金属夹杂物有哪些类型？影响其分布的主要因素是什么？

1）内生夹杂：熔化与凝固过程冶金反应产物：脱O,P,S 产物、N2、O2、P溶解、偏析形成第二相 2）外来夹杂：熔杂耐火材料 、造型材料

24、 合金的收缩和铸件的收缩有什么不同？

铸造合金在不同阶段的收缩性质是不同的，而且对铸件质量也有不同影响；铸件收缩时受到一些外界阻力的影响。 25、 铸铁和铸钢收缩特点是什么？

都分为三个阶段：液态收缩，凝固收缩，固态收缩。A铸钢：液态收缩浇注温度确定后，提高钢中的 含碳量钢的液态收缩率增加；铸钢的成分固定后，提高浇注温度，液态收缩率增加。凝固收缩凝固 期间的体收缩包括状态改变和温度降低两部分；固态收缩分为三个阶段1）珠光体转变前收缩，该阶 段的收缩随含碳量增加而减小2）共析转变期的膨胀3）珠光体转变后的收缩；碳钢的总收缩随钢中 的含碳量的提高而增加。B铸铁：液态收缩凝固收缩固态收缩 26、 缩孔和缩松的形成机理是什么？其形成受哪些条件的影响？ mC0(1?k0)GL??液体金属凝固时体积收缩，在得不到液态金属的补充时：

RDLk01）如果铸件以柱状晶方式逐层凝固，通过液态金属的流动使收缩集中于铸件最后凝固部位形成集中缩孔。

2）以糊状凝固方式，即同时存在已结晶树枝状晶体和未凝固液体，使液体流动困难，最后会出现分散小缩孔。且糊状区越宽，越疏松。受到凝固方式，成分，温度梯度的影响。

27、 为什么灰铸铁和球铁何以不遵守同时凝固和顺序凝固的原则？ 28、 热裂和冷裂的形状特点？形成条件？如何防止？

热裂: ? 高温下在金属中产生的沿晶裂纹。根本原因是金属高温脆化。 1）结晶（凝固）：凝固后期，液膜存在→明显树枝状突起 2）失塑:固态下高温晶界脆化,无液膜存在＋应力集中→平坦的界面开裂 3）液化：沿局部熔化的晶界开裂（加热过程中） 4）多边化：近结晶前沿的固相，由于位错运动而致的多边化

? 形成条件（凝固裂纹）：

枝晶生长相连，形成封闭液膜，此时凝固收缩将晶间液膜拉开后无法弥补，故形成裂纹。脆性温度区间，塑性变形能力，拉伸应变率 ? 控制三个决定因素：

脆性温度区间ΔTB，塑性变形能力δmin，拉伸应变率 A 合金元素： ΔTB，注意实际温度间隔（非平衡） B 晶间易熔物质：形成晶间液膜，与数量有关 C 一次结晶组织形态：结构，晶粒大小、形态、方向 D 工艺：约束条件，冷速，温度场分布

冷裂： ? 低温脆化引起。在材料工作温度区，故比热裂更危险 两类：

2

a 氢致裂纹：具有延迟性，又称氢致延迟裂纹，延迟裂纹。-〉穿晶氢脆准解理断口和沿晶断裂。 b 与氢无关冷裂纹：仅与材料脆性有关。淬火裂纹—〉冰糖状 ? 氢致裂纹形成条件：氢脆

（1）氢化物所致：氢的扩散聚集与析出脆性氢化物。 （2）非氢化物：拉应力，H，对氢脆敏感组织。

含氢量、组织氢脆敏感性、应力越大，氢致裂纹倾向越大。 ? 防治：

a.降低金属中扩散氢含量：原材料、加工工艺、除H处理 b.改善组织：选材，热处理 c.降低应力：设计，退火

29、 同时凝固和顺序凝固的涵义是什么？它们各有什么优缺点？ 30、 哪些原因造成铸造应力？哪些应力可以形成残余应力？

（1） 热应力：不均匀受热或冷却导致材料个部分膨胀收缩不一致所产生。 （2） 相变应力：相变不同步产生的组织应力

（3） 内应力：塑性加工时材料各部分变形量不同造成 （4） 机械阻碍引起的附加应力。

前三个应力均能形成残余应力。

危害：裂纹产生，性能，加工精度（变形）。 31、 常用消除应力的方法是什么？

防止与消除：

防止： 根除 —各部分变形不受约束

工艺措施－平衡加热、同步胀缩） 工艺局限性 —> 难免热应力

减少：工艺上尽量减少加工过程中内应力，防裂纹（ σ内< σb ） 消除：加工后 退火 — 彻底

机械 —降低应力,调整分布

32、 影响合金单向凝固的重要工艺参数是什么？ 它们是如何影响的？

重要工艺参数：

凝固过程中固－液界面前沿液相中的温度梯度GL固—液界面向前推进速度，即晶体生长速率R。GL温度梯度大小直接影响晶体生长速率和晶体质量.GL大时有利于抑制成分过冷，从而提高晶体的质量。但并非GL越大越好，特别是制备单晶时，熔体温度过高，会导致液相剧烈挥发、分解和受到污染，从而影响晶体的质量。R 大可提高工作效率，但是R过大会引起成分过冷，降低晶体质量。 33、 什么是成分过冷？说明其产生所需的临界条件。

由液体中溶质在分配及液体实际冷却条件同时决定的过冷度。金凝固过程伴随溶质再分配→液体成分变化→液相线温度变化→成份过冷。就是那个公式。受工艺因素和材料性质影响。

34、 简述液态金属中气孔与缩孔形成机理与形态差别。

机理

气孔：气泡在液体金属中生核、长大、上浮，在上浮过程中受到阻碍保留在固态金属中。 缩孔：由液体金属凝固时体积收缩造成。

形态差别：

气孔比缩孔小的多。气孔弥散在固态金属中，而缩孔一般在集中在浇冒口。

35、 对于初始成份为C0、长度为L的长棒进行区域熔炼提纯，画图说明一次和二次区熔过程中，当熔区达中间某位置时长棒中的成份分布。

图自画。二次区熔成分分布曲线更陡，相同位置溶质含量比一次区熔低。（材基P293） 36、 画图分析层片状规则共晶凝固界面前沿液相内的成分、过冷度和曲率半径的分布特征。

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37、 介绍一种你最熟悉的快速凝固方法，说明其工艺过程，讨论其巧妙之处和局限性，提出你的改进方法。

旋转电极雾化法：将合金制成电极棒并使其高速旋转，同时用电弧将其端部熔化，熔化液体在离心力作用下被高速抛出发生雾化。 巧妙：利用相同的离心力，可得到直径相同的均匀球形粉末，且纯度高 局限：生产效率低

改进：尽量提高可以抛成液滴的高速旋转容器表面积，例如用多孔网状杯。

38、 与具有晶体结构的固态金属相比，液态金属的原子结构或原子分布状态有什么不同？

液态金属结构：短程有序，长程无序。由游动变化的原子团构成，存在能量、结构、成分（合金）起伏。 原子分布状态：原子无固定位置，其密度分布曲线是连续概率曲线。

39、 液态金属的粘度与温度有怎样的关系？在金属熔点附近的温度区间和远高于熔点的温度区间，温度对粘度的影响有什么不同？

当温度不是很高情况下，指数项随T变化而急剧变化。T增大，黏度减小。

2?0KTU/KT当温度很高时，指数项趋向1，故黏度随T近直线增张。 ???e3一般情况下，温度都在熔点附近。 ?

40、 利用表面张力平衡原理，写出表面张力与润湿角的关系式，并讨论不润湿和完全润湿的表面张力条件。 杨氏方程式，润湿角θ的值与各界面张力的相对值有关。 1）σSG>σLS时， cosθ为正值， 即θ<90°称为液体能润湿固体。

θ=0°时，液体在固体表面铺展成薄膜，称为完全润湿。 2）σSG<σLS时，cosθ为负值，

即θ>90°液体倾向于形成球状，称为液体不能润湿固体。 θ=180°为完全不润湿。

41、 某溶质对某液态金属是表面活性物质，则在液态金属的表面聚集的溶质原子对液态金属的表面张力产生怎样的影响？

减小表面张力

42、 液态金属结晶的热力学条件是什么？

结晶过程中金属原子要达到一个稳定的状态，必须经过一个自由能更高的中间过渡状态，即相变势垒。由于不能使系统的自由能过高，系统用起伏作用为相变提供了可能。在存在相变驱动力的前提下，液态金属的结晶需要通过起伏作用克服热力学障碍和动力学障碍，并能过形核和生长方式而实现转变 43、 均匀形核与非均匀形核的差别是什么？

均匀形核在均匀熔体中形核，在熔体各处概率相同，热力学能障较大，所需的驱动力也较大。均匀形核是对纯金属而言的。

非均匀形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表面进行形核。发生在外来界面处，因此热力学能障比较小，所需的驱动力也较小。实际液态金属中的形核过程中一般是非均匀形核。

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44、 作为增加形核率的形核剂，对其特性有什么要求？

（1）应能保证结晶相在衬底物质上形成尽可能小的润湿角

（2）形核剂应在液态金属中保持稳定，并且具有最大的表面积和最佳期的表面特性。 45、 晶体生长时，固液界面有哪两种典型结构？各自有什么特征？

（1）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，原子随机散乱地分布在界面上。显微尺度下，粗糙界面显得比较平滑。

（2）平整界面：固相表面点阵位置几乎全部为固相原子，只剩下少量空位；或者在充满固相原子的界面上存在有少数不稳定的、孤立的固相原子，从而形成了一个总体上是平整光滑的界面。显微尺度下，平整界面由小晶面组成。 46、 合金凝固组织表征参数有哪些？ 47、 单向凝固的必要条件是什么？

必须在固液界面前沿建立必要的温度梯度 48、 实现快速凝固的条件是什么？

液固相变有极高的热导出率

49、 快速凝固制备薄膜材料有哪几种方法？

激冷法；锤砧式激冷法；单辊法；双辊法；溢流法 50、 快速凝固组织有什么特点？

液态合金形成过饱和固溶体；超细晶粒度—晶粒尺寸减小，可以获得微晶甚至纳米晶；极少偏析或无偏析 51、 常见的冶金缺陷有哪些？

偏析；非金属夹杂物；缩孔与缩松；气孔；氢白点；热裂纹；冷裂纹；应力腐蚀裂纹 52、 描述杂质颗粒在液态金属中运动的斯托克斯公式中，杂质上浮速度的影响因素？

杂质和金属之间的密度差；杂质的颗粒半径；液态金属的粘度 53、 分别描述两种不同固液界面结构晶体生长的方式。

粗糙界面—连续生长：原子占据了界面上50%的位置，形成台阶，从而液相原子能够连续无序而等效地往上堆砌，进入台阶的原子由于受到较多固相近邻原子的作用，比较稳定，不易脱落或弹回。于是界面连续均匀地垂直生长。粗糙界面的连续长大，淹没了晶体的棱角，使晶体呈现了光滑的外表面。

完整平整界面—二维形核生长：依靠能量起伏使液态原子首先在界面上形成单原子厚度的二维晶核，然后利用其周围台阶沿着界面横向扩展，直到长满一层，界面就向液相前进了一个晶面间距。此时，又必须利用职权二维形核产生新台阶，才能开始新一层的生长。界面的推移具有不连续性，有横向生长的特点。 54、 什么是温度过冷？什么是成分过冷？各自对固液界面形态有什么影响？

在纯金属凝固中，结晶温度固定，因而其过冷状态仅与界面前方的局部温度分布有关。这种由熔体实际温度分布所决定的过冷状态称为温度过冷。

对于一般单相合金，结晶过程中产生溶质再分配，过冷状态由界面前方熔体的实际温度和熔体液相线温度共同决定。这种由溶质再分配导致的界面前方熔炉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。 55、 描述缩孔、气孔形成的原因和区别。

液态金属凝固时体积收缩，若铸件在凝固过程中得不到液体的补充，则必然会出现金属不足，通过金属流动使收缩集中到铸件最后凝固的部位形成大的集中缩孔。

气孔形成有两种类型：析出性气孔和反应性气孔。析出性气孔—金属的冷却过程中，溶解度随着温度下降的下降而降低。当金属冷却到开始结晶时，溶解度发生大幅下降，析出气泡，若气泡的上浮速度小于金属的凝固速度，则将生成气孔。反应性气孔—由液态金属中的冶金反应产生的气体。

气孔形成后上浮受阻即保留于凝固金属中，形成气孔。 56、 论述区熔定向凝固法提纯合金的基本方法与原理。

将金属棒从一端向另一端顺序的进行局部熔化，凝固的过程也随之进行。重复几次。熔化区域越短则提纯的效果越好

区域提纯属于正常凝固，由于K〈1，合金凝固时凝固区溶质浓度小，将溶质向液相排，当凝固结束，试样起始凝固端纯度提高。若将试样全部熔化，则溶质重新平均分布，故采用区域提纯，多次重复，提纯效果不断提高。 57、 论述常见的凝固组织，及形成的过程和条件。

表面细晶区：型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用而大量形核。这些晶核在过冷熔体中迅速生长并互相抑制，从而形成无方向性的表面化细等轴晶组织。除了非均匀形核以外，各种形式的晶粒游离也是形成表面细晶粒区的晶核来源。

柱状晶区：柱关晶区开始于稳定凝固壳层的产生，而结束于内部等轴晶区的形成。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作用下，便转而以枝晶状单向延伸生长，在逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。在这种择优生长中，离开型壁距离越远，柱状晶方向越集中，晶粒平均尺寸越大。

内部等轴晶：内部等轴晶的形成是由于熔体内部晶核自由生长的结果。关于等轴晶核的来源，有三种理论：过冷熔体直接形核；柱状晶在凝固界面前方熔断、游离、增殖导致形成；浇注期间和凝固初期的激冷晶游离。对于等轴晶区的形成过程，有以下看法：等轴晶核形成并长大到一定大小，形成网络以阻止柱状晶区的生长；一部分游离晶沉淀和一部分游离晶被侧面生长的柱状晶前沿捕获而形成。

58、 根据粘度、界面张力、表面吸附和Stokes公式等，综合考虑液态金属中固体夹杂的去除？而在金属基复合材料的液相制备过程中又应该采取那些措施？

略

59、 半径为r的球形小颗粒在粘度为η的液体中以速度v移动时受到的阻力为F=12πrηv, 说明这种小颗粒在液态金属中发生上浮或下沉时对其速度的影响因

素。

设杂质的体积为Q，液态金属的密度为?1，杂质的密度为?2，则杂质受到液态金属斥力P为：P=Q. ?1.g-Q. ?2.g,阻力为F=12πrηv，Q. ?1.g-Q. ?2.g=12πrηv, v=Q(?1-?2)g/12πrη,对于球形杂质，v=r.r.g(?1-?2)/9η 故影响因素：液态金属粘度，金属与杂质的密度差，杂质尺寸

60、 论述固相无扩散，液相分别是完全扩散和有限扩散无对流两种情况下，凝固过程中溶质原子再分配的特点、凝固终了溶质原子浓度的分布状态。 原子浓度的分布状态。

液相均匀扩散：固相凝固过程中不断将溶质排入熔体中，由于液相完全对流，排入的溶质引起液相内溶质的平均浓度有所提高，使随后的固相溶质浓度高于已凝固固相。随界面推进，固相成分不断提高。凝固终了时固相中各部分成分不同，其整体平均成分是C0，但在每个时刻固相成分是Cs，从C0〈Cs，到C0=Cs，C0〉Cs，直到Cs=CSM为止。（公式见课本）

液相有限扩散：由于界面上溶质再分配，固相排除的多余溶质只通过扩散向液相中传输，在界面前的液相中开成了溶质富集的边界层，这个阶段固相的溶质的浓度不断增大。当溶质分配稳定时（界面处固相排出的溶质量等于溶质原子在液相中的扩散量），固相成分达到C0。

固相成分从初始K0C0起增长，到达稳定阶段的C0，在凝固终了阶段由于溶质浓度急剧增大，液相发生共晶反应，固相浓度增大。整体平均浓度为C0。（公式见课本）

61、 简述为什么在铸件凝固过程中降低浇注温度是减少柱状晶、获得等轴晶的有效措施之一？ 1促使非均匀形核与晶粒游离的

2游离晶在液态金属内部漂移过程中得以残存而不致被熔化掉

3对浇注装置的振动，浇注温度的影响是十分重要的。过高的浇注温度不仅不利于浇口杯中游离晶的形成，即使形成也可能在铸型中被重熔，使振动不起作用。降低浇注温度是减少柱状晶获得细等轴晶的有效措施之一（图2.32），甚至在减少液体流动的情况下也能得到细等轴晶组织。但是过低的浇注温度将降低液态金属的流动性，导致浇注不足和夹杂等缺陷的产生，特别是对复杂的异形铸件其危害性更大。因此降低浇注温度的措施是有一定限度的。

***** 4

62、 阐述液态金属的性质及其影响因素？

1）温度

液体的粘度在温度不太高时，温度升高，η值下降。在温度很高时，温度升高，η值增大 2）化学成分

难熔化合物的粘度较高，而熔点低的共晶成分合金其粘度低。对于共晶成分合金，粘度较非共晶成分低。 3）非金属夹杂物

液态合金中呈固态的非金属夹杂物使液态合金的粘度增加，夹杂物愈多，对粘度的影响愈大。夹杂物的形态对粘度也有影响。

表面张力和界面能

溶质（包括杂质和附加物）对不同金属表面张力的影响尤为显著。表面活性物质跑向表面会使表面能量降低，故它具有正吸附作用，溶质在表面之浓度大于溶质在内部的浓度；而表面非活性物质跑向内部会使表面能量降低，故它具有负吸附作用，溶质在表面之浓度小于溶质在内部的浓度。

杂质的沉浮速度

粘度μ愈大则愈难沉浮，所以从使液态金属得以净化的观点出发，希望μ愈小愈好。在实际生产中，可用提高温度的办法使μ下降。另外，杂质尺寸r 对杂质的沉浮净化影响极大。

63、 分析层片状共晶固液界面前沿液相内的成分分布及对层片间距的影响因素。

5

64、 推导液态金属非均质形核总自由能变化和临界形核功？

6

65、 分析固相无扩散、液相均匀混合时的溶质再分配过程。

7

66、 液态金属在铸型中冷却、凝固，其完全凝固所需的时间受哪些因素的影响？

67、 随颗粒尺寸的减小，金属的熔点会下降，其原因是什么？这种效应通常在什么尺寸

量级才会明显地表现出来。

68、 在铸件的浇注过程中，铸型与液态金属界面上的温度与哪些因素有关？

69、 晶体生长的微观界面可分为光滑界面和粗糙界面两类，请问决定晶体生长时微观界

面类别的主要因素是什么？

当α≤2 时，DGS /(NkT0 )在x=0.5 处具有最低值，即界面的平衡结构应有50%左右的点阵位置为固相原子所占据，因此粗糙界面是稳定的；当α>2 时，DGS /(NkT0 )在x很小处及接近1 处各有一个最低值，即界面的平衡结构或是只有少数点阵位置被占据，或是绝大部分位置被占据后而仅留下少量空位。因此，这时平整界面是稳定的。α越大，界面越平整。

判据α由两项因子构成：1） 0 L / kT ，它取决于系统两相的热力学性质。在熔体结晶的情况下，可近似地由无量纲的熔化熵所决定。2）n /n ，称界面取向因子。它与晶体结构及界处的晶面取向有关，如面心立方晶体的{111}面为6/12；{100}面为4/12。对于绝大多数结构简单的金属晶体来说，n /n ≤0.5；对于结构复杂的非金属、亚金属和某些化合物晶体来说，n /n 有可能大于0.5，但在任何情况下均小于1。取向因子反映了晶体在结晶过程中的各向 异性，低指数的密排面具有较高的n /n 值。 液态成型理论基础：

1、 纯金属和实际合金的液态结构有何不同？举例说明。

纯金属没有成分起伏，合金有成分起伏。

2、 液态金属的表面张力与界面张力有何不同？表面张力与附加压力有何关系？

广义地说，表面张力应称为界面张力。固—气：表面张力

3、 钢液对铸型不浸润，θ=180℃，铸型砂粒间的间隙为0.1cm，钢液在1520℃时的表面张力σ=1.5N/m,密度ρ液=7500kg/m。求产生机械粘砂的临界压力；

欲使钢液不浸入铸型而产生机械粘砂，所允许的压头H值是多少？

4、 1600℃时,铁水的σm 等于1.3N/m，渣的σs 等于6.0x10N/m, σsm 等于1N/m。如果铁水含硫量很高时，σm 等于0.6N/m,渣的σs 等于0.5N/m, σsm 等于

0.1N/m。分析以上两种状态渣在铁水上的铺展性。

5、 根据Stokes公式计算钢液中非金属夹杂物MnO的上浮速度，已知钢液温度为1500℃，η=0.0049Pa.s，ρ液=7500kg/m，ρMnO=5400kg/m，MnO呈球形，

其半径r=0.1mm。

6、 计算钢液在浇注过程中的雷诺数Re，并指出它属于何种流体流动。已知浇道直径为20mm，铁液在浇道中的流速为8cm/s，运动粘度为0.307ｘ10m/s。 7、 已知660℃时铝液的表面张力σ=0.86N/m，求铝液中形成半径分别为1μm和0.1μm的球形气泡各需多大的附加压力？ 8、 液态合金的流动性与充型能力有何异同？如何提高液态金属的充型能力？ 粘度的倒数叫流体的流动性。

流动性是影响充型能力的因素之一。影响充型能力的因素有：合金的流动性、铸型的蓄热系数、铸型温度、铸型中的气体、浇注温度、充型压力、浇注系统的结构、铸件的折算厚度、铸件的复杂程度等。

提高液态金属的充型能力： 1、适当提高温度，增加流动性。

-62

3

3

-1

3

8

2、由于附加压力与管道半径成反比，当r很小时将产生很大的附加压力，对液态成形过程中的液态合金的充型性能和铸件质量产生很大影响。选用与液态金属润湿的模具有利于充型。

9、 何谓流变铸造？用该种工艺生产的产品有何特点？

把这种半固态金属浆料直接铸成锭或在压力下制成铸件，称为流变铸造。 流变铸造优点：

1、半固态金属在压铸成型之前，已有50%的金属释放掉了结晶潜热，降低了对压铸模具的热浸蚀作用，提高了模具寿命，也使高熔点合金的压铸成为可能； 2、半固态金属在压铸时没涡流现象，降低了铸件产生疏松和气孔倾向； 3、半固态铝合金可以加进高达40%的填料，用以制取复合材料等 。 10、 阐述半固态金属表观粘度的影响因素。

1、由于枝晶网络的形成，使半固态金属具有可测的强度和高达106~8Pa·s数量级的粘度。

2、料中固体组分所占比例较低时，粘度较低；随着固体组分的增加，粘度逐渐增加，当固体组分达50%时，如果停止搅拌，粘度可达106Pa·s。这样高粘度的半固态金属，就像固体一样可以搬运。

3、当它被剪切时，其粘度迅速下降，仍能保持流动的特性，可象粘性液体一样以极低的粘度进行成形加工。 液态金属的凝固形核及生长方式：

1、 为什么过冷度是液态金属凝固的驱动力？

纯金属液、固两相体积自由能GL和GS均随温度的升高而降低，且由于结构高度紊乱的液相具有更高的熵值，其以更大的速率随温度的升高而下降，而高度有序的晶体结构具有更低的内能，低温下其自由能小于液相自由能；当T=T0时有GL=GS，在TGS，结晶才可能自发进行，这时两相自由能的差值ΔG就成为凝固的驱动力，而又有ΔGL-S=GL-GS=L- T0ΔS=LΔT/T0，其中ΔT为过冷度，对于给定的金属，L与T0均为定值，故ΔGL-S仅与ΔT有关。因此，液态金属凝固的驱动力是由过冷度提供的。

2、 何谓热力学能障和动力学能障？凝固过程是如何克服这两个能障的？

液态金属结晶过程需克服两种性质不同的能量障碍，其中热力学能障由被迫处于高自由能过渡态的界面原子产生，直接影响到系统自由能大小并影响形核过程；动力学能障由金属原子穿越界面过程所引起，仅取决于界面结构与性质，在晶体生长过程中有重要作用。凝固过程中，金属原子在相变驱动力的驱使下，不断借助于起伏作用来克服能量障碍。

3、 假设液体金属在凝固时形成的临界核心是边长为a立方体形状；

（1） （2）

求均质形核时的a与?G的关系式。

证明在相同过冷度下均质形核时，球形晶核较立方形晶核更容易形成。

3

2

*

*

*

（1）临界曲率半径r=2σ/ΔGV，球形核心临界形核功ΔG=16/3*(πσ/ΔGV) 立方体核心临界形核功ΔG’=32σ/ΔGV

3

2

（2）由（1）可知立方体核心的临界形核功约是球形的2倍。

4、 假设?H、?S与温度无关，试证明金属在熔点上不可能凝固。

ΔGL-S=GL-GS=L- T0ΔS=LΔT/T0，熔点时，过冷度为0，没有驱动力，液态金属不可能凝固。

5、 已知Ni的Tm=1453℃，L=-1870J/mol，σLC=2.25×10J/cm，摩尔体积为6.6cm，设最大过冷度为319℃，求?G均，r均。

r=2σ/ΔGV=2σTm/LmΔT=2σTmV/ΔHmΔT 6、 什么样的界面才能成为异质结晶核心的基底？

对于固相的平面衬底而言，促进异质形核的能力取决于结晶相和它之间的润湿角θ的大小，一般情况下0°<θ<180°,0

CS

CS

3

-5

2

3

*

*

大小，当衬底晶面与结

将达最低，可以通过点阵错配度δ来表示界面的形核能力，当δ<0.05完全共格，0.05<δ<0.25部分共格，有促进形核

能力，继续增大形核能力将减弱；但对于非平面衬底的固相，其界面几何尺寸对形核能力也有影响，凹界面形核能力最强，凸界面最弱。 7、 阐述影响晶体生长的因素。

晶体生长主要受三个彼此相关的过程制约：界面生长动力学过程，传热过程和传质过程。界面生长动力学过程中对晶体生长的影响因素：温度，只有当界面达到必须的动力学过冷度ΔTK，晶体才能生长；界面处固相一侧所具有的台阶数量和固相中原子结合键特性，使相变驱动力足以克服热力学能障；固液两相结构上的差异以及液相原子向固相过渡的具体形式，影响动力学能障。因此，界面生长动力学过程将与过冷度，界面微观结构及晶体生长机理密切相关。 8、 固-液界面结构达到稳定的条件是什么？

固液界面结构稳定时须使体系满足自由能最小，对应于界面能最小，具体说来，当α≤2时，表面层内沉积50%个左右的原子时，固液界面能达最小值，即此时粗糙界面是稳定的；当α>2时，表面层内只有少数点阵位置被占据或是绝大部分位置被占据后而仅留下少量空位，即此时平整界面是稳定的。， 9、 阐述粗糙界面与平整界面间的关系。

答：粗糙界面与平整界面均是相对于原子尺度而言，在显微尺度下，粗糙界面由于其原子散乱分布的统计均匀性反而显得比较平滑，而平整界面则由一些轮廓分明的小晶面所构成；粗糙界面为α≤2条件下的固液稳定界面，而平整界面是α>2时的稳定界面，且α越大，界面越平整；几乎所有粗糙界面都是多层

9

结构，其是一种各向同性的非晶体学晶面，界面性质主要由熔化熵决定，平整界面具有双层原子结构，且其本身就是晶体的某一组特定晶面，具有明确的固液分界和鲜明的晶体学特性；粗糙界面的生长机理主要为连续生长机理，其动力学、热力学能障小，有高的生长速度，而完整平整界面的生长机理为二维形核机理，能障较高，生长速度小，非完整平整晶面以从缺陷处生长为机理。 单向合金与多相合金的凝固：

1、 设相图中液相线与固相线为直线，证明平衡分配系数为常数。

解：对任意成分W0在任意温度T下，固(S)，液(L)；两相平衡时的成分分别为ws和wL,因为固/液相线均为直线，其斜率为常数，得出K0即等于二者斜率之比，也为常数。

2、 分别推导合金在平衡凝固和固相中无扩散、液相完全混合条件下凝固时，固-液界面处的液相温度TL与固相质量分数fs的关系。

近似将液相线看作直线，其斜率m为常数，平衡凝固条件下，TL=T0+mCs/k0 固相无扩散、液相完全混合条件下Cs= k0C0(1-fs)

k0-1

*

代入上式即可

3、 Al-Cu相图的主要参数为CE=33%Cu，Cs=5.65%Cu，Tm=660℃，TE=548℃。用Al-1%Cu合金浇一细长圆棒，使其从左到右单向凝固，冷却速度足以保持固-液

界面为平界面，当固相无Cu扩散，液相中Cu充分混合时，求： (1) 凝固10%时，固-液界面的Cs和CL。 (2) 凝固完毕时，共晶体所占的比例。

(3) 画出沿试棒长度方向Cu的分布曲线图，并标明各特征值。

（1）k0= CS/CE m=( Tm- TE)/ CE Cs*= k0C0(1-fs)

k0-1

*

*

（2）由正常凝固方程ws=w0k0(1-x/L)（3）见教材P61图2.10（d）

k0-1

，共晶体所占比例为(1-x/L)

4、 试述成分过冷与热过冷的含义以及它们之间的区别与联系。

答：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稳定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，而后者则同时受传热过程和传质过程制约，但其实在晶体生长过程中，界面前方的热过冷只不过是成分过冷在C0=0时的一个特例，两者在本质上是一致的。

5、 何谓成分过冷判据？成分过冷的大小受哪些因素的影响？成分过冷对晶体的生长方式有何影响？

答：成分过冷判据见教材P66式(2.41)

成分过冷值及成分过冷区宽度既取决于凝固过程中的工艺条件GL与R，也与合金本身性质C0，K0，m及DL有关，其中R、C0、m越大，GL、DL越小，k0偏离1越远，则成分过冷值越大，过冷区越宽。无成分过冷时，界面以平面生长方式长大；随成分过冷的出现及增大，界面生长方式将逐步转变为胞状生长，然后过渡为枝晶生长；当成分过冷继续增大，合金的宏观结晶状态将由柱状枝晶的外生生长到等轴晶的内生生长转变。 6、 影响枝晶间距的主要因素是什么？枝晶间距与材质的质量有何关系？

答: 决定枝晶间距的首要因素是GL与R，晶体某处液相温度梯度越高，生长速度越快，则枝晶间距就越小。枝晶间距越小，组织就细密，分布于其间的元素偏析范围就越小，铸件越容易经过热处理而均匀化且显微缩松和非金属夹杂物也更加细小分散，越有利于提高性能。

7、 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联系？它们对共晶合金的结晶方式有何

影响？

答：共生生长应满足两个基本条件：其一是共晶两相应有相近的析出能力，并且后析出相易于在领先相得表面形核，从而形成具有共生界面的双相核心；其二是界面前沿溶质原子的横向扩散应能保证共晶两相的等速生长，使共生生长得以进行。

离异生长的基本条件：合金成分偏离共晶点很远，初生相长得较大，另一相难以形核，或因液体过冷度太大而使该相析出受阻会形成晶间偏析型离异共晶；合金两相在形核能力和生长速度上差别过大，易形成球团状离异共晶。

8、 试述非小平面-非小平面共生共晶组织的形核机理和生长机理、组织特点和雷转化条件。

答：形核： 共晶转变开始时熔体首先通过独立形核析出领先相固溶体，领先相表面一旦出现第二相则可通过一种彼此依附、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形核，即通过搭桥方式来完成形核过程。

生长：在共生生长过程中，两相各向其界面前沿排出另一组元原子，并通过横向扩散不断排走界面前沿积累的溶质，且又互相提供生长所需的组元，彼此合作、相互促进，并排快速向前生长。

组织特点：由于两相彼此合作的性质，两相将并排析出且垂直于固液界面长大，形成了两相规则排列的层片状、棒状或介于两者之间的条带状共生共晶组织。 转化条件：相间总界面能决定形成层片状还是棒状共生共晶组织，判据见教材P82；第三组元的存在，如果其在共晶两相中的平衡分配系数相差较大，则层片状共晶易转化为棒状共晶；在适当工艺条件下（如G小，R大时），配合一种K<<1的第三相组元，共生组织可能弯曲形成扇形结构，当第三组元浓度继续增大则可能导致共晶合金由外生生长向内生生长转变。

10

9、 小平面-非小平面共晶生长的最大特点是什么？它与变质处理原理之间有什么关系？

答：由于结晶两相在结晶特性上的巨大差异导致的复杂组织形态变化，小面生长的高熔点非金属相作为领先相析出后，第二相的析出不能立即引起两相交替搭桥生长，而是第二相以镶边的形式将领先相包围起来形成晕圈状的双相结构，并且领先相的生长机理及形态决定着共生两相的结构形态。

变质处理是通过向金属液加入某些微量物质以影响晶体的生长机理，从而达到改变结构、提高机械性能的目的。由于共晶两相的结构特征是由小面相的各向异性生长行为，即界面生长动力学过程所决定的，而微量第三相组元的存在将极大地影响小面相的生长动力学过程从而支配着两相组织结构的变化。 10、 规则共晶生长时可为棒状或片状，试证明当某一相的体积分数小于1/π时容易出现棒状结构。

解：详见《材料科学基础》一书P303

11、 Mg、S、O等元素如何影响铸铁中石墨的生长？

解：在一般工业铸铁中，由于O、S等第三组元杂质的影响，共晶石墨将以旋转孪晶生长机理沿<10-10>方向生长，从而形成片状石墨结构的共生共晶组织；在该铁液中加入微量Mg等球化元素，可得到球状石墨的离异共晶组织。 12、 界面作用对人工复合材料的凝固有何影响？

解：详见教材P145（课上未讲内容） 凝固组织的形成与控制：

1、 铸件典型宏观凝固是由哪几部分构成的？它们的形成机理如何？

答：铸件的宏观结晶组织可能包含有三个不同的晶区：表面细晶区、柱状晶区以及内部等轴晶区。表面细晶区的形成是由于液态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用而大量形核。这些晶核在过冷熔体中迅速生长并互相抑制，从而形成无方向性的表面细等轴晶组织。稳定的凝固壳层一旦形成，在垂直于型壁的单向热流的作用下，主干与热流方向相平行的支晶优先向内生长并抑制相邻支晶的生长，在此过程中发展成柱状晶组织。而内部等轴晶区的形成，是由于熔体内部晶核自由生长的结果。 2、 试分析溶质再分配对游离晶粒的形成及晶粒细化的影响。

答：溶质再分配引起界面前沿液体成分和密度的变化，导致自然对流的产生，使得游离晶粒漂移和堆积。游离晶粒是内部等轴晶晶核的来源，因此对于晶粒细化有着重要影响。

3、 液态金属中的流动是如何产生的？流动对内部等轴晶的形成及细化有何影响？

答：液态金属中的流动分为浇注过程中的流动以及凝固期间的对流。后者分为自然对流和强迫对流。自然对流主要指铸型附近液体温度低、密度大而下沉，中心部分液体温度高、密度小而上浮所形成的一种对流。强迫对流是由外加电磁搅拌或机械搅拌作用形成。液态金属对流导致游离晶粒的漂移和堆积，使各种晶粒游离得以不断进行，而内部等轴晶核来源于浇注及凝固初期的游离晶，因此加强对流能够细化晶粒。 4、 常用生核剂有哪些种类？其作用条件和机理如何？

答：常用的形核剂有两类。第一类是直接作为外加晶核的形核剂，这是一些与熔体具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属碎粒，它们在液态金属中可以作为有效衬底而促进非均匀形核。第二类是通过与液态金属相互作用而产生非均匀晶核的形核剂，例如形核剂能与液相中元素组成较稳定的化合物，此化合物与欲细化相具有界面共格对应关系而能促进非均匀形核。 5、 试分析影响铸件宏观凝固组织的因素，列举获得细等轴晶的常用方法。

答：（1）强形核剂在熔体中的存在，凝固过程中长时间、激烈的对流，能够促进形核。（2）宽结晶温度范围的合金和小的温度梯度，保证熔体有较宽的形核区域以及促使较长脆弱支晶的形成。（3）合金溶质元素含量高、平衡分配系数离1较远，导致凝固过程中树枝晶发达，及严重的颈缩现象。（4）低的浇注温度，使得熔体与内壁接触就能产生大量的游离晶粒，并有助于已形成的游离晶粒的残存，对等轴晶的形成和细化有利。（5）凡能强化液流对型壁冲刷作用的浇注工艺均能扩大并细化等轴晶区。（6）对薄壁铸件而言，激冷能使整个断面同时产生较大的过冷，容易获得细等轴晶。

常用获得细等轴晶的方法：低温浇注及合理的浇注工艺、合理控制冷却条件（小的温度梯度及高的冷却速度）、加入形核剂及强成分过冷元素、振动搅拌或旋转震荡。

6、 何谓“孕育衰退”？如何防止？

7、 简述析出性气孔的特征、形成机理及主要防止措施。

答：析出性气孔的特征：（1）形状特征：多为分散小圆孔，直径0.5～2mm，或者更大，肉眼能观察到麻点状小孔，表面光亮。（2）位置分布：在铸坯断面上呈大面积、均匀分布，而在最后凝固的部位较多。（3）气体成分：氢气、氮气。（4）出现规律：往往一炉金属液中全部或多数出现这种气孔。（5）敏感合金：铝合金和钢比较容易出现这种气孔。（6）伴生现象：冒口中缩孔减小，并有不同程度的冒口上涨现象。

形成机理：（1）溶解气体的析出：随温度降低，气体溶解度降低，当开始凝固温度时，一般溶解度骤降。上述原因导致溶解在金属液中的气体析出，并形成气胞核。（2）气泡核的长大： 气胞核能否长大取决于气泡内的压力是否大于外部压力之和。（3）气孔的形成：气泡形成后来不及排除，金属液已经开始凝固，留在金属内成为气孔。

主要防止措施：（1）减少原料含气量（2）除气处理（3）阻止气体析出

8、 分析初生夹杂物、次生夹杂物及二次氧化夹杂物是如何形成的？主要防止措施有哪些？

9、 某厂生产的球墨铸铁曲轴，经机加工和抛丸清理后，发现大量直径1~3mm的球状、椭圆状或针孔状、内壁光滑的孔洞，有的均匀分布，有的呈蜂窝状分布，

试对此缺陷产生的原因进行分析，并提出防止措施。

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10、 何谓体收缩、线收缩、液态收缩、凝固收缩、固态收缩、收缩率、顺序凝固和同时凝固？ 11、 试分析缩孔、缩松形成条件及形成原因的异同点。

12、 试分析灰铸铁及球墨铸铁间生缩孔及缩松的倾向性及影响因素。 13、 简述顺序凝固原则及同时凝固原则分别适用于哪些情况？

14、 何谓晶内偏析、晶界偏析、正偏析、逆偏析、V形偏析、逆V形偏析、带状偏析？ 15、 分析偏析对铸件质量的影响。

16、 分析影响铸件中产生正偏析和逆偏析的因素。如何防止它们的产生及消除措施如何？ 17、 生产中如何防止重力偏析的形成？

18、 为什么铸铁易形成冷裂纹？防止措施有哪些？ 19、 试分析T形梁铸件在冷却过程中的应力和变形。 特殊条件下的凝固：

1、 何为快速凝固？其基本原理是什么？

快速凝固是指液态金属以10～10 K/s的冷速进行凝固的液态急冷技术。

由液相到固相的相变过程非常快，从而获得普通铸件或铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构的过程。

快速凝固过程抑制了各种传输现象，凝固偏离平衡，经典凝固理论中假设的许多平衡条件不再适应，成为材料凝固学研究的一个特殊领域。 2、 快速凝固晶态合金的组织与性能有何特点？

扩大的固溶极限，超细的晶粒度，极少偏析或无偏析，形成亚稳相，高的点缺陷密度，因而在机械性能方面表现出高强度及高韧性，超塑性，改善了耐蚀性能，提高了蠕变抗力，良好的抗辐照性及不易膨胀等等。 3、 快速凝固技术有哪些方法？各有何特点？ （1） 激冷法

凝固速率是由凝固潜热及物理热的导出速率控制的。通过提高铸型的导热能力，增大热流的导出速率可使凝固界面快速推进，实现快速凝固。 （2）深过冷法

通过抑制凝固过程的形核，使合金液获得很大的过冷度，使凝固过程释放的潜热Δh被过冷熔体吸收，可以获得很大的凝固速率。 4、 何为微重力？微重力环境有何特点？

微重力（Microgravity）并不表示重力加速度显著降低，而是重力作用于物体的效应降低，即物体表观重量为地面静止状态表观重量的10-3水平，因此采用微重量（Microweight）可能更加合适。 5、 微重力对凝固组织有何影响？

微重力下的晶体生长，由于重力加速度减小而有效的抑制了重力造成的无规则热质对流，从而获得溶质分布高度均匀的晶体； 6、 如何获得微重力环境？ 可由航天飞机搭载至太空中获得。 7、 何为超重力？超重力场如何获得？

所谓超重力是指物体的合成加速度大于重力加速度（1g＝9．8m／s2）的状态.可有离心机获得。 8、 超重力场对合金凝固组织有何影响？

超重力下的晶体生长，通过增大重力加速度而加强浮力对流，当浮力对流增强到一定程度时，就转化为层流状态，即重新层流化，同样抑制了无规则的热质对流。 9、 定向凝固技术有哪些应用？

包括高梯度定向及单晶叶片，晶向择优控制定向凝固——金属间化合物定向，熔体织构定向凝固——高温氧化物超导材料，超精细控制定向凝固——高温结构陶瓷定向，晶体连续生长定向凝固——单晶连铸等等。 10、 定向凝固方法有哪些？

包括激光超高温度梯度快速定向凝固，深过冷定向凝固技术，电磁约束成形定向凝固技术，对流下的定向凝固技术等等。

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填空题： 1. 液态金属的结构为 短程有序 ，长程无序 ，并且存在着 结构(相) 起伏和 能量 起伏。其凝固形核的驱动力为 体积自由能

的降低，形核的阻力为 表面自由能 的增加，产生临界晶核半径的大小主要取决于 过冷度 。 2.

表面张力与界面张力都是由于 表面或界面处于不平衡的力场 所引起的。加入某些溶质之所以能改变金属的表面张力，是因为加入溶质后改变了 溶液表面质点力场的不对称程度 。 3.

接触角θ=0°时，称液体 完全润湿 固体；0<θ<90°称液体 能润湿 固体；180>θ>90°时，称液体 不能润湿 固体；θ=180°称液体 完全不润湿 固体。 4.

使液体表面张力降低的溶质，称为该液体的 表面活性剂 ，具有 正吸附 作用；反之，使液体金属表面张力增加的溶质，称为该液

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态金属的 表面非活性剂 ，具有 负吸附 作用。 5. 6.

根据理想流体的伯努利方程，流体的 位 能 、 压力 能与 动 能之和为常数。

微观上看，结晶时的液固界面有 粗糙 界面和 光滑 界面，典型金属的液固界面属于 粗糙 界面，生长出的晶体呈 光滑 外表面 ；非金属的液固界面属于 光滑 界面，生长出的晶体呈 粗糙 外表面。 7.

成分过冷区从小到大，其固溶体的晶体生长形态分别为 平面晶 、 胞状晶 和 树枝晶 晶体长大的方式根据生长速度从小到大依次为： 二维平面生长，螺位错生长，连续生长

1 .液态金属或合金中一般存在 结构 起伏、 能量 起伏和 成分 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、 影响液态金属界面张力的因素主要有 温度 、 非金属夹杂物 和 化学成分 。

3、 纯金属凝固过程中晶体的宏观长大方式可分为 粗糙界面生长 和 平整界面生长 两种，其主要取决于界面前沿液相中的 过冷

度 。

4、 金属（合金）凝固过程中由热扩散控制的过冷被称为 热过冷 。

5、 铸件的宏观凝固组织主要是指 铸态晶粒形态，大小，取向和分布 ，其通常包括 表层细晶区 、

柱状晶 和 内部等轴晶 三个典型晶区。

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 形核过程 ，而变质则主要改变 晶体生长

机理 。

7、 液态金属成形过程中在 高温 附近产生的裂纹称为热裂纹，而在 低温 附近产生的裂纹称为冷裂纹。 8、 铸造合金从浇注温度冷却到室温一般要经历 液态收缩 、凝固收缩 和 固态收缩 三个收缩阶段。

9、 铸件凝固组织中的微观偏析可分为 枝晶偏析 、 包晶偏析 和 晶界偏析 等，其均可通过 退火 方法消除。 10、 铸件中的成分偏析按范围大小可分为 微观偏析 和 宏观偏析 两大类。

选择题：

1、金属?金属型共晶具有粗糙-粗糙型界面，它多为（ C ）形态。

A． 层片状； B． 针状； C． 树枝状； D． 螺旋状。 2、自发形核的形核率与过冷度的关系是（ C ）：

A．过冷度越大，形核率越大； B．过冷度越小，形核率越大； C．过冷度过大或过小时，形核率都小。 D．形核率与过冷度大小无关。 3. 一般凝固过程中的过冷有（ D？ ）：

A．温度（热）过冷；B．成分过冷；C．动力学过冷；D．以上三种都有。 4． 单相合金非平衡定向凝固，下列哪一种情况能够获得有成分均匀的区域（B）：

A．液相内有对流、混合均匀； B．液相内无对流、仅有限扩散； C．液相部分对流、部分扩散。

5．下列冶金缺陷中，哪种是铝合金中最容易出现的（ C ）。 A． 热裂纹； B． 冷裂纹； C．气孔； D、氢白点。

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