凝固科学基础复习梗概

1、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LbLm 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；（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

2、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

3、。9.熔化前后：扩散率增加、电阻增加、体积增加、LbLm， SLSS10.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h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

4、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（J/m2）的表面具有大小为（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=RLaplace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)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。G=0，则系统处于平衡状态。G0，相变将自发地朝相反方向进行。2. 熔化熵S= H/ Tm =L/

5、 Tm 熔化吸热， H为正；实验证明，大多数金属：S 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， 、两相结构，、两相浓度分别为C、C，系统的平均自由能G？两相平衡浓度？、两相浓度分别为C、C，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

6、浓度为Ce、Ce（两相溶液切线规则）4.A、B两组元形成、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必须相等 。T=TP=PA= A，B=B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8.010-6 m3/mol，固态为7.610-6 m3/mol，熔化潜热Lm=13.05 kJ/mol，

7、熔点为1083C。 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

8、,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a-Jackson因子能量取决于和X：2，X=0.5时， Gs=min，粗糙界面；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

9、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，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R块R板根据： 有球 块 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

10、件凝固完毕所需的时间。 解 根据Chvorinov法则，= （V/S）2/K2， 计算冒口时：V =50 (25) 2/4 +35(152+12.52+15x12.5)/3=45390cm3, 散热面积S = 2(25/2)50 +(25/2) 2 +(15-12.5) 2+352 1/2 (15+12.5)= 7449 cm2, V/S = 6.09cm; 故= （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

11、对速度（m/s） -熔体密度（kg/m3） d-颗粒直径（m） -熔体的粘度（Pas）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=6rV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

12、能应用Stokes公式（适用于Rep 2 ）。过渡区：2Rep500， 500Rep2105，阻力近似为常数，C0.44，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.

13、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

14、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

15、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

16、，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

17、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

18、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

19、，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） 240K -33 1000 故钨在1000属于冷加工T 钨回 （0.250.3）T熔 （9131096）K（640823） 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