材料成型原理作业

1、作业作业 铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的，它们的铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的，它们的形成机理如何？形成机理如何？ 常用生核剂有哪些种类，其作用条件和机理如何？常用生核剂有哪些种类，其作用条件和机理如何？ 试述柱状晶组织对铸件性能的影响试述柱状晶组织对铸件性能的影响 试述等轴晶组织对铸件性能的影响试述等轴晶组织对铸件性能的影响 试分析影响铸件宏观凝固组织的因素，列举获得细等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。轴晶的常用方法。 在在 一般情况下希望铸件获得细等轴晶组织，为什么？一般情况下希望铸件获得细等轴晶组织，为什么？怎样才能获得？怎样才能获得？ 对于

2、厚大金属型钢锭如何获得细等轴晶组织？对于厚大金属型钢锭如何获得细等轴晶组织？ 对于厚大砂型铸件如何获得细等轴晶组织对于厚大砂型铸件如何获得细等轴晶组织?9. a-b二元合金原始成分为二元合金原始成分为c0 =2.0 %，k0=0.2，ml =3，自左向，自左向右单向凝固，右单向凝固， 固相无扩散而液相无对流而只有有限扩散固相无扩散而液相无对流而只有有限扩散（dl=210-4cm2/s）。凝固达到稳态时，求）。凝固达到稳态时，求 固固-液界面的成分液界面的成分(1) 固固-液界面保持平整界面的条件液界面保持平整界面的条件*lscc 和10.alcucsmce11. 在普通工业条件下为什么非共晶成

3、分的合金往往在普通工业条件下为什么非共晶成分的合金往往能获得能获得100的共晶组织？用相图说明之。的共晶组织？用相图说明之。 12. 何谓结晶过程中的溶质再分配何谓结晶过程中的溶质再分配?它是否仅由平衡分它是否仅由平衡分配系数配系数k0所决定所决定?当相图上的液相线和固相线皆为直当相图上的液相线和固相线皆为直线时，试证明线时，试证明k0为一常数。为一常数。9(2)10.11. 在普通工业条件下为什么非共晶成分的合金往往在普通工业条件下为什么非共晶成分的合金往往能获得能获得100的共晶组织？用相图说明之。的共晶组织？用相图说明之。 在普通工业条件下，从热力学在普通工业条件下，从热力学考虑，当非共

4、晶成分的合金较考虑，当非共晶成分的合金较快地冷却到两条液相线地延长快地冷却到两条液相线地延长线所包围的影线区域时，液相线所包围的影线区域时，液相内两相达到饱和，两相具备了内两相达到饱和，两相具备了同时析出的条件，但一般总是同时析出的条件，但一般总是某一相先析出，然后再在其表某一相先析出，然后再在其表面析出另一个相，于是便开始面析出另一个相，于是便开始了两相竞相析出的共晶凝固过了两相竞相析出的共晶凝固过程，最后获得程，最后获得100的共晶组织。的共晶组织。 12. 何谓结晶过程中的溶质再分配何谓结晶过程中的溶质再分配?它是否仅由平衡分配系数它是否仅由平衡分配系数k0所所决定决定?当相图上的液相线

5、和固相线皆为直线时，试证明当相图上的液相线和固相线皆为直线时，试证明k0为一常数。为一常数。 结晶过程中的溶质再分配：是指在结晶过程中溶质在液、固结晶过程中的溶质再分配：是指在结晶过程中溶质在液、固两相重新分布的现象。两相重新分布的现象。 溶质再分配不仅由平衡分配系数溶质再分配不仅由平衡分配系数k0决定决定 ，还受自身扩散性质，还受自身扩散性质的制约，液相中的对流强弱等因素也将影响溶质再分配。的制约，液相中的对流强弱等因素也将影响溶质再分配。 12.当相图上的液相线和固相线皆为直线时当相图上的液相线和固相线皆为直线时k0为一常数，证明如下：如右图所示：为一常数，证明如下：如右图所示：*lscc

6、 1. 铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的，它们的形成机铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的，它们的形成机理如何？理如何？表面细晶区表面细晶区：紧靠型壁的激冷组织，也称激：紧靠型壁的激冷组织，也称激冷区，由无规则排列的小等轴晶组成。冷区，由无规则排列的小等轴晶组成。柱状晶区柱状晶区：由垂直于型壁（沿热流方向）彼：由垂直于型壁（沿热流方向）彼此平行排列的柱状晶粒组成。此平行排列的柱状晶粒组成。中心等轴晶区中心等轴晶区 ：由各向同性的等轴晶粒组成。：由各向同性的等轴晶粒组成。等轴晶的尺寸往往比表面细等轴晶区的晶粒等轴晶的尺寸往往比表面细等轴晶区的晶粒尺寸粗大。尺寸粗大。表面细等轴晶的形成机理

7、表面细等轴晶的形成机理：非均质形核和大量游离晶：非均质形核和大量游离晶粒提供了表面细等轴晶区的晶核，型壁附近产生较大粒提供了表面细等轴晶区的晶核，型壁附近产生较大过冷而大量生核，这些晶核迅速长大并且互相接触，过冷而大量生核，这些晶核迅速长大并且互相接触，从而形成无方向性的表面细等轴晶区。从而形成无方向性的表面细等轴晶区。中间柱状晶的形成机理中间柱状晶的形成机理：柱状晶主要从表面细等轴晶：柱状晶主要从表面细等轴晶区形成并发展而来，稳定的凝固壳层一旦形成处在凝区形成并发展而来，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的作用下，固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下

8、，便转而以枝晶状延伸生长。由于择优生长，在逐渐淘便转而以枝晶状延伸生长。由于择优生长，在逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。内部等轴晶的形成内部等轴晶的形成是由于剩余熔体内部晶核自由生长是由于剩余熔体内部晶核自由生长的结果。的结果。2.常用生核剂有哪些种类，其作用条件和机理如何常用生核剂有哪些种类，其作用条件和机理如何?答：答：生核剂主要有两类：生核剂主要有两类：一类是起非自发形核作用；另一类是通过一类是起非自发形核作用；另一类是通过在生长界面前沿的成分富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生缩颈，在生长界面前沿的成分富集而使晶粒根部和树枝晶分

9、枝根部产生缩颈，促进枝晶熔断和游离而细化晶粒。促进枝晶熔断和游离而细化晶粒。 作用条件及机理：作用条件及机理：（1）对于第一类生核剂可以从三个方面来理解。）对于第一类生核剂可以从三个方面来理解。 第一种情况是孕育剂含有直接作为非自发生核的物质，即一些与欲第一种情况是孕育剂含有直接作为非自发生核的物质，即一些与欲细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属微小颗粒。它们在细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属微小颗粒。它们在液态金属中可直接作为欲细化相的有效衬底而促进非均质生核。液态金属中可直接作为欲细化相的有效衬底而促进非均质生核。 第二种情况，孕育剂能与液相中某些元素第二种情况，孕育剂

10、能与液相中某些元素(最好是欲细化相的原子最好是欲细化相的原子)反应生成较稳定的化合物而产生非自发生核。此化合物应与欲细化相反应生成较稳定的化合物而产生非自发生核。此化合物应与欲细化相具有界面共格对应关系而能促进非均质生核。具有界面共格对应关系而能促进非均质生核。 第三种情况，通过在液相中造成很大的微区富集而迫使结晶相提前第三种情况，通过在液相中造成很大的微区富集而迫使结晶相提前弥散析出而生核。弥散析出而生核。（2）对于第二类生核剂，它的作用在于使枝晶产生更细的缩颈，其）对于第二类生核剂，它的作用在于使枝晶产生更细的缩颈，其结果必然导致结晶更易于游离。这种晶粒细化剂之所以使枝晶缩颈更结果必然导致

11、结晶更易于游离。这种晶粒细化剂之所以使枝晶缩颈更细，主要是溶质的偏析造成的，在凝固过程中由于溶质在枝晶侧向的细，主要是溶质的偏析造成的，在凝固过程中由于溶质在枝晶侧向的偏析，使此处的过冷度减少，从而使晶体的长大受到抑制而产生细的偏析，使此处的过冷度减少，从而使晶体的长大受到抑制而产生细的缩颈。缩颈。3 试述柱状晶组织对铸件性能的影响试述柱状晶组织对铸件性能的影响柱状晶的凝固区域较窄小，在生长过程中容易从它的柱状晶的凝固区域较窄小，在生长过程中容易从它的前方熔体中获得液态金属的补缩。同时，其横向生长前方熔体中获得液态金属的补缩。同时，其横向生长受到相邻晶体的阻碍而使横向分枝不能充分发展，分受到相

12、邻晶体的阻碍而使横向分枝不能充分发展，分枝较细。枝较细。因此，柱状晶组织致密，不容易形成缩松和因此，柱状晶组织致密，不容易形成缩松和晶间夹杂等宏观缺陷。晶间夹杂等宏观缺陷。但柱状晶的各项性能存在着明但柱状晶的各项性能存在着明显的各向异性：显的各向异性：纵向性能与横向性能有着明显的差别纵向性能与横向性能有着明显的差别。此外，柱状晶的生长方向是与热通量平行的。因而在此外，柱状晶的生长方向是与热通量平行的。因而在铸件铸件(锭锭)的转角处或中心，从不同方向生长的柱状晶彼的转角处或中心，从不同方向生长的柱状晶彼此相遇时形成的此相遇时形成的交界面，易于交界面，易于 聚集气体和夹杂物聚集气体和夹杂物，对，对

13、铸件铸件(锭锭)的性能有很大损害。的性能有很大损害。4 4 试述等轴晶组织对铸件性能的影响试述等轴晶组织对铸件性能的影响等轴晶是在成分过冷区和凝固区域较大的范围内等轴晶是在成分过冷区和凝固区域较大的范围内生长而成的。它的分枝比较发达。等轴晶的晶界生长而成的。它的分枝比较发达。等轴晶的晶界面积与其体积之比大于柱状晶的晶界面积面积与其体积之比大于柱状晶的晶界面积/ /体积体积比。故晶界夹杂等缺陷比较分散。且各晶粒取向比。故晶界夹杂等缺陷比较分散。且各晶粒取向具有宏观的各向同性，具有宏观的各向同性，故其性能比较均匀和稳定。故其性能比较均匀和稳定。其缺点是枝晶分枝比较发达，显微缩松较多，组其缺点是枝晶

14、分枝比较发达，显微缩松较多，组织不够致密。这些缺点通常经晶粒细化加以克服。织不够致密。这些缺点通常经晶粒细化加以克服。影响铸件宏观凝固组织的因素：液态金属的成分、铸型影响铸件宏观凝固组织的因素：液态金属的成分、铸型的性质、浇注条件、冷却条件。的性质、浇注条件、冷却条件。 获得细等轴晶的常用方法：获得细等轴晶的常用方法：1. 孕育处理：向熔体中加入强生核剂，直接作为外加晶孕育处理：向熔体中加入强生核剂，直接作为外加晶核的生核剂；采用含强成分过冷元素的生核剂。核的生核剂；采用含强成分过冷元素的生核剂。2. 控制浇注条件：（控制浇注条件：（1）采用较低的浇注温度，低温浇注）采用较低的浇注温度，低温浇

15、注有利于产生较多游离以及使游离晶粒不重熔；（有利于产生较多游离以及使游离晶粒不重熔；（2）采）采用合适的浇注工艺。用合适的浇注工艺。3. 动态下晶粒细化：振动、搅拌、铸型旋转等方法。动态下晶粒细化：振动、搅拌、铸型旋转等方法。4. 铸型性质和铸件结构：（铸型性质和铸件结构：（1）采用金属型铸造；）采用金属型铸造； （2）减小液态金属与铸型表面的润湿角；）减小液态金属与铸型表面的润湿角； （3）提高铸型表面粗糙度。）提高铸型表面粗糙度。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。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。6. 在在 一般情况下希望铸件获

16、得细等轴晶组织，为什一般情况下希望铸件获得细等轴晶组织，为什么？怎样才能获得？么？怎样才能获得？等轴晶是在成分过冷区和凝固区域较大的范围内等轴晶是在成分过冷区和凝固区域较大的范围内生长而成的。它的分枝比较发达，晶界夹杂等缺生长而成的。它的分枝比较发达，晶界夹杂等缺陷比较分散。且各晶粒取向具有宏观的各向同性，陷比较分散。且各晶粒取向具有宏观的各向同性，故其性能比较均匀和稳定。故其性能比较均匀和稳定。细等轴晶组织有着较为理细等轴晶组织有着较为理 想的综合机械性能，疲想的综合机械性能，疲劳强度也随着晶粒的细化而提高。劳强度也随着晶粒的细化而提高。获得等轴晶方法：获得等轴晶方法：7. 对于厚大金属型钢锭如何获得细等轴晶组织？对于厚大金属型钢锭如何获得细等轴晶组织？降低浇注温度：较低的浇注温度一方面有利于从降低浇注温度：较低的浇注温度一方面有利于从型壁上脱离的晶粒、枝晶熔断产生的晶粒以及自型壁上脱离的晶粒、枝晶熔断产生的晶粒以及自由表面产生的晶粒雨更多地残存下来，减少被重由表面产生的晶粒雨更多地残存下来，减少被重新熔化的数量；另一方面，由于熔体的过热度小新熔化的数量；另一方面，由于熔体的过热度小易于产生较多的游离晶粒。这两方面对等轴晶的易于产生较多的游离晶粒。这两方面对等轴晶的形成和细化有利。但是浇注温度不能过低。形成和细化有利。但是浇注