金属凝固原理

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

金属凝固原理思考题

1．表面张力、界面张力在凝固过程的作用和意义。

2． 如何从液态金属的结构特点解释自发形核的机制。

答：晶体熔化后的液态结构是长程无序，而短程内却存在不稳定的、接近有序的原子集团。由于液态中原子运动较为强烈，在其平衡位置停留时间甚短，故这种局部有序排列的原子集团此消彼长，即结构起伏和相起伏。当温度降到熔点以下，在液相中时聚时散的短程有序原子集团，就可能成为均匀形核的晶胚，从而进行均匀形核。

3．从最大形核功的角度，解释d G/dr 0的含义。

4．表面张力、界面张力在凝固过程和液态成形中的意义。

5．在曲率为零时，纯镍的平衡熔点为1723K，假设镍的球形试样半径是1cm，1μm、0.01

μm，其熔点温度各为多少？已知△H=18058J/mol，Vm=606cm3/mol，σ=255×107J/cm2

6．（与第18题重复）证明在相同的过冷度下均质形核时，球形晶核与立方形晶核哪种更易

形成。

答：对于球形晶核：过冷液中出现一个晶胚时，总的自由能变化为ΔG=（4πr3ΔGV/3）+4πr2σ。临界晶核的半径为r*，由dΔG/dr=0求得：r*=-2σ/ΔGv=2σTm/LmΔT，则临界形核

的功及形核功为：ΔG*球=16πσ3/3ΔGv

凝固原理与铸造技术复习题答案

1、画出纯金属浇入铸型后发生的传热模型示意图，并简要说明其凝固过程的传热特点。

凝固过程的传热有如下一些特点： 简单地说：一热、二迁、三传。 首先它是一个有热源的传热过程。金属凝固时释放的潜热，可以看成是一个热源释放的热，但是金属的凝固潜热，不是在金属全域上同时释放，而只是在不断推进中的凝固前沿上释放。即热源位置在不断地移动；另外，释放的潜热量也随着凝固进程而非线性地变化。 一热：有热源的非稳态传热过程，是第一重要的。

二迁：固相、液相间界面和金属铸型间界面，而这二个界面随着凝固进程而发生动态迁移，并使传热现象变得更加复杂。

三传：液态金属的凝固过程是一个同时包含动量传输、质量传输和热量传输的三传（导热、对流和辐射传热）耦合的三维传热物理过程。

其次，在金属凝固时存在着两个界面。即固相、液相间界面和金属铸型间界面，而在这些界面上，通常发生极为复杂的传热现象。

2、一个直径为25cm的长圆柱形铸钢件在砂型和金属型中凝固： (l)当忽略铸件-铸型界面热阻时，它们的凝固时间各为多少？

(2)当铸件-铸型的界面换热系数hi=0.0024J(cm2．s．℃)时，它们的凝固时间各为多少？

计算用参数如表l -

第十一章 液态金属的结构和性质

液态金属的结构和性质

1)原子间仍保持较强的结合能2）近程有序排列3）所有原子集团在不停顿地游动4）存在游动“空穴”5）能量起伏 实际金属的液态结构

实际金属在微观上是由成分和结构不同的游动原子集团、空穴和许多固态、气态或液态的化合物组成，它是一种\混浊\的液体;而从化学键上看，除了基体金属与其合金元素组成的金属键之外，还存在其它多种类型的化学键。总之都要结合具体对象进行分析. 液态金属的遗传性

液态金属的遗传性是炉料的某些特性，经过熔化浇铸后，所得铸件中也具有这种特性，他主要是指铸件的组织和气孔等缺陷与炉料的组织和缺陷有关。随着液态金属的遗传性研究的广泛和深入，它的概念主要体现在以下几个方面:炉料的组织和缺陷对凝固后铸件或毛坯的组织和缺陷有影响、在液态合金中加入合金元素后，改变了合金中元素与元素之间的相互作用，进而影响凝固后铸件或毛坯的组织、液态金属或合金的结构 (如过冷度、净化程度等)不同对凝固后铸件或毛坯的组织有影响，这些影响液态金属或合金熔体结构进而影响凝固后铸件或毛坯的组织与性能称液态金属或合金的遗传性。

第十二章 液态金属的充型能力 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

第十一章 液态金属的结构和性质

液态金属的结构和性质

1)原子间仍保持较强的结合能2）近程有序排列3）所有原子集团在不停顿地游动4）存在游动“空穴”5）能量起伏 实际金属的液态结构

实际金属在微观上是由成分和结构不同的游动原子集团、空穴和许多固态、气态或液态的化合物组成，它是一种\混浊\的液体;而从化学键上看，除了基体金属与其合金元素组成的金属键之外，还存在其它多种类型的化学键。总之都要结合具体对象进行分析. 液态金属的遗传性

液态金属的遗传性是炉料的某些特性，经过熔化浇铸后，所得铸件中也具有这种特性，他主要是指铸件的组织和气孔等缺陷与炉料的组织和缺陷有关。随着液态金属的遗传性研究的广泛和深入，它的概念主要体现在以下几个方面:炉料的组织和缺陷对凝固后铸件或毛坯的组织和缺陷有影响、在液态合金中加入合金元素后，改变了合金中元素与元素之间的相互作用，进而影响凝固后铸件或毛坯的组织、液态金属或合金的结构 (如过冷度、净化程度等)不同对凝固后铸件或毛坯的组织有影响，这些影响液态金属或合金熔体结构进而影响凝固后铸件或毛坯的组织与性能称液态金属或合金的遗传性。

第十二章 液态金属的充型能力 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

第一章 凝固热力学

1. 比较高压铸造技术与传统铸造技术的优劣

如果将一个大气压条件下加热至熔点Tm以上某一温度To保温，然后对金属熔体快速施加高压，使金属熔点快速升高至Tp，To<

第四章 单相合金的凝固

1. 总结单相合金非平衡凝固溶质分配规律，分别写出单相合金稳态生长区液相溶质分配规

律和固体分配规律表达式，明晰由来和推导思路

A. 液相完全混合的溶质再分配（小区域液相系统内溶质快速扩散，对流充分）

0 CS?k0C0[1?(1?2?k0)fs]0 ??Dstf/L2*?k0C0(1?fs)(k0?1)当α=0 即固相中无扩散时，即为Schiel 公式，（非平衡凝固杠杆定律）C S含义：◇冷却速度很快——快速凝固；

◇适宜于固相分数很低，刚刚开始凝固， 接近凝固终了时不适用

k0C0当α=0.5时，为平衡凝固溶固分配公式（凝固时间充分长——相当于平衡凝固）C *?S[1?(k0?1)fs]小原子如C、N、O，固相扩散系数大，平衡凝固（本规律）也适用

当冷却速度很快，即tf很大时，最后凝固液相成分CL 趋于∞ 当冷却速度很慢，即tf很小时，最后凝固液相成分C0/K0

*(k?1)/(1?2k)

B. 液相只有扩散，而无对流时的溶质再

第一章 凝固热力学

1. 比较高压铸造技术与传统铸造技术的优劣

如果将一个大气压条件下加热至熔点Tm以上某一温度To保温，然后对金属熔体快速施加高压，使金属熔点快速升高至Tp，To<

第四章 单相合金的凝固

1. 总结单相合金非平衡凝固溶质分配规律，分别写出单相合金稳态生长区液相溶质分配规

律和固体分配规律表达式，明晰由来和推导思路

A. 液相完全混合的溶质再分配（小区域液相系统内溶质快速扩散，对流充分）

0 CS?k0C0[1?(1?2?k0)fs]0 ??Dstf/L2*当α=0 即固相中无扩散时，即为Schiel 公式，（非平衡凝固杠杆定律）C S?k0C0(1?fs)(k0?1)含义：◇冷却速度很快——快速凝固；

◇适宜于固相分数很低，刚刚开始凝固， 接近凝固终了时不适用

k0C0当α=0.5时，为平衡凝固溶固分配公式（凝固时间充分长——相当于平衡凝固）C *?S[1?(k0?1)fs]小原子如C、N、O，固相扩散系数大，平衡凝固（本规律）也适用

当冷却速度很快，即tf很大时，最后凝固液相成分CL 趋于∞ 当冷却速度很慢，即tf很小时，最后凝固液相成分C0/K0

*(k?1)/(1?2k)

B. 液相只有扩散，而无对流时的溶质再

2014级硕士研究生课程考试试题

考试科目名称：金属凝固原理 一、名词解释（每个3分，共30分）

河南科技大学

(1)共晶团；（2)小晶面相；（3)均质形核；（4)生长过冷度；（5)溶质平衡分配系数；

(6)临界晶核；（7)等轴枝晶；（8)成分过冷；（9)溶质再分配；（10)形核速率

二、问答题（每题5分，共10分）

1. 铸造铝硅合金变质处理，可以使共晶硅相细化和钝化，但只能使初生硅相细化，而不能改变其形态，

为什么？

2. 凝固过程中晶体的生长方式有哪些？不同生长方式的长大速度与生长过冷度的关系是怎

样的？

三、计算分析题（每题10分，共20分）

1. 在成分为含GalOppm的Ge-Ga熔液中生长Ge-Ga晶体，对流边界层厚δ=0.005厘米，设 液相扩散系

数DL=5×10厘米/秒,溶质分配系数k=0.1，凝固速度为8×10厘米/秒。 问凝固到50%时形成的固相成分为多少？试绘制出凝固后沿锭子轴向的成分分布图。

-5

2

-3

2. 通过热分析实验测得某共晶Zn-Al合金试样从开始结晶到结晶结束的时间为2s,对该试样 进行定量

金相统计，得到共晶团最大直径为0.22mm，层片间距为0.0023mm。另有一共晶 Zn-Al合金试样，由于冷却速度太快

第一部分：液态金属凝固学

2.1 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，还存在浓度起伏和结构起伏。

2.2 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?和附加压力p的关系如（1）p＝2?/r,因表面张力而长生的曲面为球面时，r为球面的半径；（2）p＝?（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。

2.3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

第一部分：液态金属凝固学

2.1 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，还存在浓度起伏和结构起伏。

2.2 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?和附加压力p的关系如（1）p＝2?/r,因表面张力而长生的曲面为球面时，r为球面的半径；（2）p＝?（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。

2.3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