凝固科学基础复习梗概.doc

一．1.
实验数据 液体结构定性推论
熔化时，约3-5%的体积膨胀。 原子间距增加1-1.5%,排列松散
Lb>>Lm 与固态相比，金属原子的结合键破坏很少部分
熔化时熵增大 排列的有序性下降，混乱度增加
气、液、固相比较，液态金属结构更接近固态
2.衍射图像：
晶体：位置明确的清晰线条或分布规则的亮点。
液体：少数几条宽而模糊的衍射带或漫射光环。
表明：液态中有一些紊乱分布的原子，造成对X射线的散射
3.径向分布函数
r， 距参考原子的距离；
nr，r+dr，半径为r和r+dr之两球面间的壳层内的原子中心数；
ρ（r），r处单位体积内的原子数目，number density。
4.近程(有)序：在几个原子间距范围内，质点的排列与固态相似，排列有序
5.液态金属配位数：邻近参考原子密集排列的第一球壳原子数。即r-原子密度图中第一单峰下的面积。
6.温度升高，液体径向分布密度的变化：峰值下降
7.液体结构理论：
（1）点阵理论：将液体看作是各处被破坏的固体。包括晶胞理论、孔穴或效结构理论。
（2）钢球随机密堆积模型：液体是原子或分子刚球的随机密集堆积物，其中没有晶体区域，也没有大到足以容纳另一原子的空穴。
8.杂质的存在破坏了液体的均匀性，造成分布不均。
由于散热和纯净度影响，存在
1）温度不均匀（能量起伏）
2）成分和浓度的不均匀（起伏）
3）相和结构的不均匀（起伏）
正是这些不均匀，为凝固成核提供了必要条件，使实际金属凝固时成核更容易。
9.熔化前后：扩散率增加、电阻增加、体积增加、Lb>>Lm， SL>SS
10.流体(fluid)：在剪切力作用下（无论多小）可连续变形的物质。
牛顿流体(newtonian fluid)：变形速率与剪切应力成正比例的流体。
流体的黏滞性：流体抵抗剪切变形的能力。
度量：黏度。从微观的角度看，其本质是反映质点间作用力大小。描述流动时内摩擦。
影响粘度的因素：
在高出熔点不太多的温度范围内，T­升高，粘度hη下降，流动性好。
一般的趋势是熔点愈高，粘度愈大，但Sb和Mg例外。
固态杂质使液态金属粘度升高，因为固态杂质增加流体内摩擦。
11.界面：相与相间的分界。
表面张力：表面上单位长度受的力。使表面变形需要做功。
由于内部分子原子的吸引，在液体自由表面上存在表面张力是最直观的物理现象，它使液体表面积趋于最小。
界面自由能：单位面积上的界面能量。
表面自由能为σ（J/m2）的表面具有大小为σ（N/m）的表面张力。
一般的趋势是熔点愈高，表面张力愈大，但B例外。
Laplace方程： 对于球形界面， r1=r2=R

Laplace方程的应用-最大气泡压力法测量表面张力

（金属液面下h处，半径为r的球形气泡所受总压力P）

接触角

a)θ<90°，液体L湿润固体S，V表示气体；
b)θ>90°，液体不湿润固体
二．1. 对于恒温和恒容下，使用A作为判断标准。对于恒温和恒压下，使用G作为判断标准。ΔG=0，则系统处于平衡状态。ΔG<0，相变倾向于自发进行。ΔG>0，相变将自发地朝相反方向进行。
2. 　熔化熵ΔS= ΔH/ Tm =L/ Tm 熔化吸热， ΔH为正；
实验证明，大多数金属：ΔS≈ R（8.31 Jmol-1 K-1 )，摩尔气体常数 称为Richard法则。
物质在冷却到平衡熔点以下继续保持液态，称为过冷（supercooling）。
凝固过程在温度低于熔点（液相线温度）情况下才可能发生。
过冷度
凝固驱动力：是固态和液态的自由能差。是由过冷度提供的；过冷度越大，凝固驱动力越大。

3. 设成分为XB系统， α、β两相结构，α、β两相浓度分别为Cα、Cβ，系统的平均自由能G？两相平衡浓度？
α、β两相浓度分别为Cα、Cβ，二相自由能相应在G曲线d、e两点。作溶液的平均浓度XB的垂直线。
垂线与de线的交点h的高度XBh等于系统的平均自由能G。
两相平衡浓度为Cαe、Cβe（两相溶液切线规则）

4.A、B两组元形成α、β两相，平衡的热力学条件：各相的温度T、压力P和每个组元在各个相的化学位μ必须相等 。
Tα=Tβ
Pα=Pβ
μAα= μAβ，μBα=μBβ
使用自由能作为判据时，平衡条件是在一定的温度和压力下，一个封闭系统（成分和质量固定的系统）的自由能处于可能的最低值。
5. 在常温常压下，石墨是碳的平衡结构，是稳定相，金刚石是亚稳相。
6.
Clausius-Clapeyron方程 压力增大，熔点升高
例：估计压力变化10kbar引起的铜的平衡熔点的变化。已知液体铜的摩尔体积为8.0´10-6 m3/mol，固态为7.6´10-6 m3/mol，熔化潜热Lm=13.05 kJ/mol，熔点为1083°C。

将各已知量代入：

三．1.凝固得到的固体可以是晶体或非晶体，但是结晶得到的只能是晶体
结晶 – 形核和生长两阶段，新界面生成和推移长大；
形核分为均质形核（在整个区域均匀自发形核）和异质形核（在基底上形核，是主要方式）
新核的体积自由能下降-形核动力 ；界面能构成形核阻力
临界晶核半径

r≥ r *的原子集团就是晶胚，晶体长大才能稳定进行；
∆ T越大，r*越小； ∆ T不能为0；

形成临界晶核需要克服的能量障碍：1/3临界晶核界面能—理解过冷是结晶的前提条件
异质成为基底的条件：湿润角θ小、基底与新相的同型性
异质形核是细化晶粒的重要方法
2. 固-液界面存在两种可能的结构：粗糙界面-界面厚达几个原子层,界面区域内发生固液转变,两相共存；光滑（平整）界面-原子尺度上,固相存在平整的、原子紧密堆积排列的界面（平直的小平面）,也称具有小台阶的界面。
确定固-液界面结构类型的准则：界面自由能最小
界面结构类型判据aα-Jackson因子
能量取决于α和X：α≤2，X=0.5时，∆ Gs=min，粗糙界面；α≥5，X→ 0或1时，∆ Gs=min，光滑界面；在两者之间为混合状态；（X-节点占有率）
四．1.凝固区域：液相区、固液态区域、固相区、中间层、铸型
其中 固液共存区域称为糊状区或凝固区域
按糊状区宽度，凝固有两种凝固方式:
逐层凝固方式–糊状区很窄；糊状凝固方式-糊状区较宽;
两种方式没有严格的界线, 凝固区域宽度由凝固动态曲线中液相边界和固相边界之间的纵向距离直接判断。
影响因素：结晶范围和温度梯度
影响规律：结晶温度范围越小，温度梯度越大，越趋向于逐层凝固。反之趋向于糊状凝固。
合金确定后，凝固方式便由G决定。
2. 与金属相比，砂型的热阻大，是传热系统控制环节
通过控制最大热阻元素-气隙达到控制凝固目的
3.Chvorinov法则
凝固时间θ，凝固系数K ，铸件体积V，铸件表面积A
例1：比较同样体积大小的球状、块状、板状铸件的凝固时间。
解：V球=V块=V板；S球<S块<S板
R=V/S, R球>R块>R板
根据： 有τ球> τ块> τ板

例2 ：砂型铸造圆柱形铸钢件（单位为mm）。根据工艺需要加设冒口。如凝固系数为0.9cm/min1/2，分别估算计算和不计算冒口时，铸件凝固完毕所需的时间。
[解] 根据Chvorinov法则，τ= （V/S）2/K2，
计算冒口时：V =50 π(25) 2/4 +35π(152+12.52+15x12.5)/3=45390cm3,
散热面积S = 2π(25/2)50 +π(25/2) 2 +π[(15-12.5) 2+352] 1/2 (15+12.5)= 7449 cm2,
V/S = 6.09cm; 故τ= （V/S）2/K2 = (6.09/0.9) 2 = 45.8 min.
不计算冒口时：38.7 min.请自行完成
五．1.与凝固过程有关的三类流动现象：
颗粒在熔体中的沉浮
凝固过程液相流动
充型过程熔体流动
2.雷诺数 V-流体与颗粒的相对速度（m/s） ρ-熔体密度（kg/m3）
d-颗粒直径（m） μ-熔体的粘度（Pa·s）
阻力系数 A-颗粒在垂直于运动方向的平面上的投影面积（m2）
F-作用在垂直于颗粒运动方向的平面上的单位面积上的阻力（N）
流体流动分为层流、过渡状态、紊流
当雷诺数Rep小于2，即流动缓慢时，阻力系数与雷诺数成反比，有C=24/Rep
F=6πrVμ
这个区域称为缓慢流动区或斯托克斯定律区。
斯托克斯（Stokes）公式 球形颗粒

令作用于颗粒F动= F阻，可求出沉降（上浮）终速V

P：颗粒密度 L：溶体密度 1、2式结合令Re=2可求最大夹杂物直径
应用Stokes公式计算运动速度后，应当核算Rep数。如果Rep >2，不能应用Stokes公式（适用于Rep <2 ）。
过渡区：2≤Rep≤500，
500≤Rep≤2×105，阻力近似为常数，C≈0.44，称为牛顿定律区。
3.凝固过程液相流动现象存在三种力驱动凝固过程液相流动：
密度差→自然对流（natural convection）
外力→强逼对流（forced convection）
界面张力→界面张力流
4. 糊状区处理方法有两个：
达西定律：流速V=渗透率K X 压力梯度P
体积平均方法
5. 充型过程熔体流动，结构如图1.浇口杯2.直浇道3.横浇道
4.内浇道5.分型面6.下半型铸件7.上半型铸件
六．1.结晶材料的组织特征：
晶粒（尺寸、形状、取向）、亚结构（元素分布形态、枝晶结构）
2. 铸态晶粒有柱状晶和等轴晶两种形态
铸态宏观组织：
表层激冷细晶粒区（铸件表层常常由很细的等轴晶组成，称为激冷层）
柱状晶（生长方向：与散热方向相反、以枝状晶方式长大、择优生长-柱状晶生长的机制）
中心等轴晶（不呈现方向性）
3. 影响晶粒结构的因素
成分（结晶温度范围窄的合金一般为逐层凝固方式，有利于形成柱状晶。凝固时固液共存区域宽的合金，倾向形成等轴晶）
热流（主要考虑冷却速度--冷却速度越高，凝固速度越大，凝固组织越细化和G/R值）
熔体状况（异质核的数量和熔体结构两个方面。一般地，晶粒尺寸将随熔体过热度增高而增加，并有利于柱状晶生长）
流动（所有促使晶体脱落和保全的因素，都有利于获得等轴晶，熔断分枝 、消除过热）
溶质富集，熔点降低，缩颈，熔断。
4.微晶
纳米晶
准晶（长范围取向有序、亚稳相）
非晶态（玻璃，快冷无序效应，存在短程序，亚稳态）
5. 控制热流，细化等轴晶
熔体处理：孕育（变质）剂---增加晶粒机制1) 加入细化晶粒的合金元素2)孕育（剂）处理
阻碍晶体长大机制：变质（剂）处理
扰动：振动与电磁搅拌-细化晶粒，消除柱状晶
6. 细等轴晶组织获得:

单向凝固获单向柱状晶和单晶组织:
单向散热，正温度梯度；择优生长；避免液体内形成晶核。
+ 生长
↓
成核
↓

减少G/R,促进内生生长
成核剂，孕育剂
加强液体流动，打碎枝晶
变质剂：阻碍，抑制和改变晶体生长
七.集中的孔称缩孔, 分散的孔称缩松
1.逐层方式凝固是形成缩孔的必要条件。消除缩孔的唯一方法是补充缩孔体积所需要的熔体。为此，须要设置冒口来补充熔体，使全部缩孔集中于冒口处，清理铸件时将冒口切除，获得健全铸件。
冒口设计原则：（1）凝固向冒口方向推进，冒口最后凝固；（2）冒口内液体能够流入被补缩的缩孔（3）足够补缩的液体量
顺序凝固原则和同时凝固原则
2. 在固相线温度附近产生裂纹，是一种常见的铸造缺陷，称为热裂。出现在铸件外表面的称为外热裂，出现在铸件内部的称为内热裂（高温开裂特征：高温形成，沿晶粒周界开裂；具有极不规则与锯齿状的外形；裂缝表面呈现氧化现象。对于铸钢，还可以观察到脱碳现象）（形成原因：i）晶体在超过其强度极限的应力下开裂ii）凝固收缩得不到充分补充，形成热裂）
3. 残留应力是铸件变形的主要原因（消除方法：人工时效（热处理）法、自然时效法、共振法）
4. 在冷却过程中较低的温度产生的裂纹称为冷裂。具有较低温度开裂的特征：常产生于铸件表面，通常是单条、极少分叉、宽度变化不大，边缘锋利，裂口未被氧化，具有光亮表面。一般是穿晶断裂，也可以是沿晶粒周界断裂；可以延伸至整个断面或不贯穿整个断面；表面不存在氧化膜是与热裂区别的主要判断标准。

裂纹对策：抗裂纹倾向是合金重要的铸造性；合理的工艺设计；避免急冷, 减少温差 -应力；
净化金属液，改变夹杂物分布和形态，以提高合金强度；焊补
5. 析出性气孔（净化金属液，减少含气量；提高冷却速度，阻止气体析出, 有利于减少气孔）
反应性气孔（多呈细长状，与铸件表面垂直）
入侵性气孔
（缩孔有利于气体析出；所有析出、反应、卷入和侵入的气体形成的气孔的内表面都是光滑的，可以和缩孔加以区别。）
一．（1）滑移和孪生的异同点？
相同点：1. 都是由位错运动实现的；2. 在切应力作用下.
区别：1. 滑移方向移动距离是原子整数倍，孪生是原子的相对切变距离小于孪生方向上一个原子间距 ；2.滑移时晶体位向不变，而孪晶位向发生变化，　与未变形部分形成镜面对称;3.所需临界切应力－孪生比滑移大得多.
（2） 多晶体的变形特点？
多晶体塑性变形的特点，一是各晶粒变形的不同时性；二是各晶粒变形的相互协调性；三是晶粒与晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域之间变形的不均匀性。
（3） 什么是加工硬化现象？
冷变形金属加工过程中，出现强度、硬度增加，而塑性、韧性降低的现象。
（4） 冷加工对组织和性能的影响？

（5） 回复和再结晶特征及应用
回复特征：晶格畸变降低，但晶粒外形并未发生改变，组织仍处于不稳定状态，因此经一定的塑性变形后，金属在强度、硬度和塑性等机械性能方面变化不大，而内应力、电阻率等理化性能降低，耐腐蚀性高。应用：消除加工硬化后工件的残余内应力
再结晶特征：金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，内应力和加工硬化消除。应用：再结晶退火，消除加工硬化，有良好塑性，利于后续加工。
（6）影响再结晶的因素？
化学成分（杂质），提高再结晶温度；
冷变形程度，变形程度增加，再结晶温度降低。
原始晶粒，原始晶粒越细小，再结晶温度降低；
保温时间，延长加热时间，再结晶温度降低；
（7）冷、热加工的区别（如何判断）？
高于金属再结晶温度的加工叫热加工，反之为冷加工
例：已知铅的熔点为327℃，钨的熔点为3380℃。问：铅在20℃、钨在1000℃时变形各属哪种加工？为什么？
解：T铅再 ＝ 0.4T 熔 ＝ 0.4（327+273）＝ 240°K ＝ -33℃ < 20℃
故铅在20℃属于热加工
T 钨再 ＝ 0.4 T熔 ＝ 0.4（3380+273）＝1461K ＝ 1188℃>1000℃
故钨在1000℃属于冷加工
T 钨回 ＝（0.25－0.3）T熔 ＝ （913－1096）K＝（640－823） ℃ < 1000℃
故钨在1000℃属于温变形
冷变形：T变＜T回； 温变形：T回＜T变＜T再； 热变形：T变＞T再
（8） 冷加工流线与热加工流线区别？

（9） 热加工对金属组织、性能影响？

（10）叙述晶粒随着温度的升高而长大是一种必然现象。
奥氏体化过程是一个形核和长大的过程，最初形成的晶粒很多，起始晶粒度就是指奥氏体刚刚形成时的晶粒大小，此时晶粒很细、数量很多。随着温度继续升高，通过晶界的移动，造成晶粒间相互吞并，温度越高，晶界自由能越大，越容易移动，时间一长的话，吞并现象越严重，因而晶粒越粗大
（11）什么是塑性？影响因素？提高途径？静水压力对其影响？
固体材料在外力作用下发生永久变形，而不破坏其完整性的能力
影响塑性的内部因素：化学成分（碳和杂质元素、合金元素）、组织结构（晶粒度、金相组织、铸造组织、金属的晶格结构）
外部因素：变形温度、应变速率、应力状态、不连续变形、尺寸因素、其他
提高途径：1.控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分和组织的均匀性；2.采用合适的变形温度—速度制度；3.选用三向压应力较强的变形过程；4.减小变形的不均匀性，尽量造成均匀的变形状态；5.避免加热和加工时周围介质的不良影响。
静水压力影响：拉伸应力会促进晶间变形、加速晶界的破坏，三向压应力使晶间变形困难；
三向压应力有利于愈合塑性变形中晶内、晶间的各种损伤；消除杂质、液态相或组织缺陷的不良影响；减轻不均匀变形而引起的附加拉应力。
（12）塑性与柔软性的区别是什么？
塑性反映材料产生永久变形的能力；柔软性反映材料抵抗变形的能力
铅---------------塑性好，柔软性好
不锈钢--------塑性好，柔软性不好
白口铸铁----塑性差，柔软性差
过热或过烧金属和合金----塑性差，柔软性好
（13）冷脆、红脆、氢脆？
P的影响: 冷脆 强度/硬度 提高 塑性/韧性 下降
冷变形<0.3%, 热变形可以1%-1.5%
S的影响: 产生红脆现象+Mn
过热敏感性强 晶粒粗大 塑性 下降
H的影响： 氢脆
“白点” 大型锻件报废
（17） 超塑性变形的宏观特征
大延伸、小应力、无缩颈、易成形
（14）超塑性的力学特征和组织特征
组织特征：晶粒极细、等轴晶、双相、热稳定性
（15）应变敏感性指数（m）物理意义
反映了抑制局部出现缩颈的能力、 m 越大，σ 随着 ƹ 增大而急剧增大。