材料原理总复习

第一章液态金属的结构与性质1

液态金属：

长程无序——不具备平移、对称性；

短程有序——相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有序的原子集团，液体结构表现出局域范围的有序性

一、液态金属的结构特点2二、由物质熔化过程认识液态金属结构物质熔化时体积变化﹑熵变(及焓变)一般均不大，表明液态金属的原子间距接近于固体，在熔点附近其混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。金属熔化潜热Hm比其气化潜热Hb小得多，为1/15~1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。3（四）实际液态金属的微观特点能量起伏结构（相）起伏成分（浓度）起伏4第三节液态合金的性质51、表面张力及其产生的原因表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所造成。由于液体或固体的表面原子受内部的作用力较大，而朝着气体的方向受力较小，这种受力不均引起表面原子的势能比内部原子的势能高。因此，物体倾向于减小其表面积而产生表面张力。二、液态合金的表面张力64、影响表面张力的因素1）表面张力与原子间作用力的关系：原子间结合力u0↑→表面内能↑→表面自由能↑→表面张力↑71、界面张力与润湿角

接触的两相质点间结合力越大，界面张力（界面能）就越小，两相间的界面张力越小时，润湿角θ越小，称之为润湿性好。

8第二章液态成形中的流动与传热9液态金属的流动性与充型能力液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充填铸型的能力，是设计浇注系统的重要依据之一；充型能力弱，则可能产生浇不足、冷隔、砂眼、铁豆、抬箱，以及卷入性气孔、夹砂等缺陷。10

液态金属的充型能力取决于：内因——金属本身的流动性；外因——铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。11固相区固-液固液相区液-固液相区凝固区域结构示意图（一）铸件凝固方式分类12根据固液两相区的宽度，可将凝固过程分为层状凝固方式与体积凝固方式（或糊状凝固方式）。当固液两相区很窄时称为层状凝固方式，反之为糊状凝固方式，固液两相区宽度介于两者之间的称为“中间凝固方式”。简答题13（三）铸件凝固方式的影响因素凝固温度区间的影响温度梯度的影响

层状凝固中间状凝固体积凝固窄宽陡平14第三章液态金属的凝固形核及生长方式15第一节凝固热力学液-固相变驱动力16一、液-固相变驱动力Tm及L对一特定金属或合金为定值，所以过冷度ΔT是影响相变驱动力的决定因素。过冷度ΔT越大，凝固相变驱动力ΔGV

越大。简答题17第二节均质形核均质形核：形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从液相自身发生形核的过程(方式)，所以也称“自发形核”。非均质形核：依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生核过程，亦称“异质形核”或“非自发形核”。名词解释18一、形核功及临界半径晶核形成时，系统自由能变化由两部分组成，即作为相变驱动力的液-固体积自由能之差（负）和阻碍相变的液-固界面能（正）：

r＜r*时，r↑→ΔG↑r=r*处时，ΔG达到最大值ΔG*r＞r*时，r↑→ΔG↓液相中形成球形晶胚时自由能变化19令：

得临界晶核半径r*：

r*与ΔT成反比，即过冷度ΔT越大，r*越小；ΔG*与ΔT2成反比，过冷度ΔT越大，ΔG*越小。

综合分析题20例：设想液体在凝固时形成的临界核心是边长为a*的立方体形状：(1)求均匀形核时的a*与△G*的关系式；(2)证明在相同过冷度下均质形核时，球形晶核较立方晶核更易形成。解：(1)21(2)所以，在过冷度相同时，球形晶核较立方晶核更易形核。22非均质形核合金液体中存在的大量高熔点微小杂质，可作为非均质形核的基底。晶核依附于夹杂物的界面上形成。非均质形核过冷度ΔT比均质形核临界过冷度ΔT*小得多时就大量成核。23一、非均质形核形核功非均质形核临界晶核半径：

与均质形核完全相同。非均质形核功当θ＝0º时，ΔGhe=0，此时在无过冷情况下即可形核

当θ＝180º时，ΔGhe=ΔGho0≤f(θ)≤1，而一般θ远小于180º，故G异远小于ΔG均液相L24一、晶体宏观长大方式

—取决于界面前方液体中的温度分布平面方式长大——正温度梯度；树枝晶方式生长——负温度梯度；液固TL(x)过冷度及过冷区域界面O距离温度TmTiO距离固液TL(x)过冷度及过冷区域TiTm温度界面25第四章单相及多相合金的结晶第一节单相合金的凝固26凝固时溶质分配系数

是指在给定的温度下，固-液界面侧固相溶质浓度Cs与液相浓度CL之比。

k=Cs/CL

27第二节合金凝固界面前沿

的成分过冷一、“成分过冷”条件和判据二、“成分过冷”的过冷度28一、“成分过冷”条件和判据

“成分过冷”的形成条件分析

（K0＜1情况下)：→

界面前沿形成溶质富集层→

平衡液相线温度TL(x’)随x’增大上升

出现“成分过冷”。→

当GL（界面前沿液相的实际温度梯度）小于液相线的斜率时，即:29液相中只有有限扩散时形成“成分过冷”的判据30由判据可见，下列条件有助于形成“成分过冷”：液相中温度梯度小（GL小）；晶体生长速度快，R大；mL大，即陡的液相线斜率；原始成分浓度高，C0大；液相中溶质扩散系数DL低；K0＜1时，K0小；K0＞1时，K0大工艺因素材料因素31第三节“成分过冷”对单相合金固溶体结晶形态的影响32二、“成分过冷”对合金固溶体

晶体形貌的影响规律随“成分过冷”程度增大，固溶体生长方式：

→平面晶

→胞状晶→胞状树枝晶(柱状树枝晶)

→内部等轴晶(自由树枝晶)33合金固溶体凝固时的晶体生长形态a)不同的成分过冷情况

b)无成分过冷(G1)

平面晶C)窄成分过冷区间(G2)

胞状晶

d)成分过冷区间较宽(G3)

柱状树枝晶

e)宽成分过冷(G4)

内部等轴晶34“外生生长”与“内生生长”的概念晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式，称为“外生生长”。平面生长、胞状生长和柱状枝晶生长皆属于外生生长。等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为“内生生长”。35第五章铸件凝固组织的形成与控制36（1）铸件的宏观组织激冷晶区的晶粒细小;柱状晶区的晶粒垂直于型壁排列，且平行于热流方向.内部等轴晶区的晶粒较为粗大;表层急冷晶区中间柱状晶区内部等轴晶区37第二节铸件宏观结晶组织的控制一、合理地控制浇注工艺和冷却条件二、孕育处理三、动力学细化38第八章成型过程的冶金反应原理8-1液态金属与气相的相互作用39第一章液态金属的结构与性质一、金属氧化还原方向的判据

在一个由金属、金属氧化物和氧化性气体组成的系统中，采用金属氧化物的分解压

Po2作为金属是否被氧化的判据。

2MeO2Me+O2若氧在金属－氧－氧化物系统中的实际分压为{Po2}，则:

{Po2}>Po2时，金属被氧化；{Po2}=Po2时，处于平衡状态；{Po2}<

Po2时，金属被还原。40第八章成形过程的冶金反应原理8-2液态金属与熔渣的相互作用埋弧焊过程示意图1.机械保护作用2.冶金处理作用3.改善成形工艺性能作用第一节渣相的作用与形成二、熔渣的粘度熔渣的粘度是一个较为重要的性能，过大与过小都不理想。粘度过大的熔渣会降低金属与熔渣之间的冶金反应速度。粘度过小的熔渣容易流失，影响对熔池（或焊缝）在全位置焊接时的成形和保护效果。熔渣的粘度与它的成分和结构有关：一般，液态熔渣的粘度随温度下降而上升，这是由于随温度下降，熔渣中离子（或粒子）的聚合度增大，粘度随之增加。药皮焊条电弧焊时，根据熔渣粘度随温度变化的速率，将熔渣分为“长渣”和“短渣”两类。随温度增高粘度急剧下降的渣称为短渣，而随温度增高粘度下降缓慢的渣称为长渣。短渣在焊缝凝固后迅速凝固，可保证全位置焊缝外观成型，长渣只能用于平焊位置焊接。长渣∆T1

∆T2

T

短渣图8-3熔渣粘度与温度的关系渣的粘度(长短性)与它的成分和结构有关。含SiO2多的渣结构复杂，Si-O阴离子聚合程度大，离子尺寸大，粘度大。在温度升高时复杂的Si-O离子逐渐破坏，形成较小的Si-O阴离子，粘度缓慢下降，因此含SiO2多的酸性渣为长渣。碱性渣中离子尺寸小，粘度低，且随温度升高离子浓度增大，粘度迅速下降，因此碱性渣为短渣。表面张力的影响因素温度T化学键与表面张力原子间键能三、熔渣的表面张力及界面张力碱性氧化物（如MgO、CaO、Al2O3、MnO、FeO等）一般为离子键化合物，表面张力较大。酸性氧化物（如SiO2、TiO2等）一般为极性键化合物，表面张力较小。碱度高的渣表面张力大。熔渣与液态金属间的界面张力碱性焊条施焊时，覆盖在熔滴表面的熔渣表面张力较大，易造成熔滴粗化，飞溅增多。酸性焊条施焊时，过渡的熔滴颗粒较小，飞溅少，焊缝鱼鳞纹细密，外观成形好。第九章成形缺陷的产生机理及防止措施液态金属体积收缩变形缩孔缩松热裂纹冷裂纹气体元素杂质元素化合物夹渣气泡气孔过饱和析出降温凝固受拘束应力滞留成分偏析非平衡凝固低熔点共晶在应力与致脆因素的共同作用下，使材料的原子结合遭到破坏，在形成新界面时产生的缝隙称为裂纹。金属在加工和使用过程中，可能会出现各种裂纹，如热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹等。第二节裂纹——热裂纹一、热裂纹的分类及特征

凝固裂纹

液化裂纹

高温失延裂纹1、凝固裂纹金属凝固结晶末期，在固相线附近发生的晶间开裂现象，称为凝固裂纹或结晶裂纹。其形成与凝固末期晶间存在的液膜有关，二、热裂纹的形成机理液态金属凝固结晶液固状态固液状态偏析低熔点共晶液态薄膜脆性温度区间凝固收缩应力与应变拘束凝固裂纹名词解释图11-48产生凝固裂纹的条件ε－应变δ－塑性TL－液相线TS－固相线TB－脆性温度区TH－TB上限TS'－TB下限TBε,δT/℃TLTHTSTS'δmin123ε＝f(T)δ＝Φ(T)脆性温度区TB

越大，收缩应力的作用时间就越长，产生的应变量越大，形成热裂纹的倾向越大。TB内金属的塑性δmin越低，产生热裂纹的倾向越大。

TB内的应变增长率∂ε/∂T

越大，越容易产生裂纹。线2所对应的∂ε/∂T为临界应变增长率，用“CST”表示。CST越大，材料对热裂纹敏感性越小。

三、热裂纹的影响因素及防止措施

冶金因素

工艺因素

防止热裂纹的措施

凝固温度区的影响

合金元素和杂质元素的影响

凝固组织形态的影响

（一）影响热裂纹倾向的冶金因素1．凝固温度区的影响凝固温度区增大脆性温度区范围增大

凝固裂纹的倾向增大

wB

/%wB/%裂纹倾向/%温度/℃2、合金元素和杂质元素的影响合金元素尤其是易形成低熔点共晶的杂质元素是影响热裂纹产生的重要因素。

硫和磷

是钢中最有害的杂质元素，在各种钢中都会增加热裂纹倾向。它们既能增大凝固温度区间，与其他元素形成多种低熔点共晶，又是钢中极易偏析的元素。

冷裂纹是指金属经焊接或铸造成形后冷却到较低温度时产生的裂纹。第二节裂纹——冷裂纹60一、冷裂纹的分类及特征按裂纹形成原因，冷裂纹可分为以下三类：

延迟裂纹

淬硬脆化裂纹(淬火裂纹)

低塑性脆化裂纹61延迟裂纹（氢致裂纹）在氢、钢材淬硬组织和拘束应力共同作用下产生。形成温度在Ms以下200℃至室温范围。具有明显的延迟特征（故又称为氢致裂纹）。

62二、冷裂纹的影响因素高强度钢接头产生冷裂纹的主要因素是：

（一）接头中扩散氢的含量与分布

（二）钢材的淬硬倾向

（三）接头中的拘束应力状态

63四、冷裂纹的控制对于结构钢焊接冷裂纹的控制，总的原则是控制冷裂纹形成的三大要素，即降低扩散氢的含量、控制组织脆化和减小拘束应力。64气体在金属中的含量超过其溶解度，或侵入的气体不被金属溶解时，会以分子状态的气泡存在于液态金属中。若凝固前气泡来不及排除，就会在金属内形成孔洞。这种因气体分子聚集而产生的孔洞称为气孔。第三节气孔和夹杂65一、气孔的分类及形成机理

析出性气孔

侵入性气孔

反应性气孔66液态收缩阶段凝固收缩阶段固态收缩阶段三个阶段一、金属的收缩67二、缩孔与缩松的分类及特征

缩孔

缩松第四节缩松和缩孔68缩孔特点常出现于纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围较窄的以层状凝固方式凝固的铸造合金中；多集中在铸件的上部和最后凝固的部位；缩孔尺寸较大，形状不规则，表面不光滑。69缩松的特点缩松多出现于结晶温度范围较宽的合金中；常分布在缩孔附近70三、缩孔与缩松的形成机理

缩孔的形成

缩松的形成71缩孔的形成机理

纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围窄的合金，在一般铸造条件下按由表及里逐层凝固的方式凝固。由于金属或合金在冷却过程中发生的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，从而在铸件最后凝固部位形成尺寸较大的集中缩孔。简答题72（二）防止铸件产生缩孔和缩松的途径

顺序凝固铸件各部位由远及近，朝着冒口方向顺序凝固。用于凝固收缩大、结晶间隔窄的金属。

同时凝固凝固时产生热裂纹、变形倾向小。用于凝固收缩小、对气密性要求不高的铸件。

使用冒口、补贴和冷铁名词解释73金属的塑性塑性：

材料在外力的作用下产生一定的永久变形而不破坏其完整性的能力。塑性成形：

材料成形的基本方法之一，它是利用材料的塑性，在外力作用下获得所需尺寸和形状的工件的一种加工方法，又称为塑性加工。743.塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。

延伸率

断面收缩率

ψ=△A/A0=(A0-Ak)/A0x100%塑性指标75第十一章应力分析二、直角坐标系中一点的应力状态761）应力分量的符号带有两个下角标：前一个角标表示该应力分量所在的坐标面（用该面的法线命名）；第二个角标表示应力所指的坐标方向；正应力分量的两个下角标相同，两个下角标不同的是切应力分量。7711.3主应力和主切应力一、主应力主平面：切应力为零的平面称为主平面；主应力：主平面上的正应力叫做主应力；主方向：主平面的法线方向，亦即主应力的方向称为主方向或应力主轴。名词解释78二、应力张量不变量应力张量的三个不变量I1、I2、I3表示了一个确定的应力状态其应力分量之间的确定关系，尽管应力张量的各分量随坐标而变，但其函数值是不变的，称为应力张量第一、第二、第三不变量。79主应力表示的应力张量不变