《材料成形原理》复习资料

《材料成形原理》复习题(铸）

第二章 液态金属的结构和性质

1. 粘度。影响粘度大小的因素?粘度对材料成形过程的影响?

１)粘度：是液体在层流情况下,各液层间的摩擦阻力。其实质是原子间的结合力。

2)粘度大小由液态金属结构决定与温度、压力、杂质有关：

(1）粘度与原子离位激活能U 成正比，与相邻原子平衡位置的平均距离的三次方成反比。(２)温度:温度不高时，粘度与温度成反比;当温度很高时,粘度与温度成正比。

（3）化学成分：杂质的数量、形状和分布影响粘度；合金元素不同，粘度也不同，接近共晶成分，粘度降低。(4)材料成形过程中的液态金属一般要进行各种冶金处理，如孕育、变质、净化处理等对粘度有显著影响。

3)粘度对材料成形过程的影响

(1)对液态金属净化(气体、杂质排出)的影响。(2）对液态合金流动阻力与充型的影响,粘度大，流动阻力也大。(3)对凝固过程中液态合金对流的影响,粘度越大，对流强度G 越小。

2．?表面张力。影响表面张力的因素?表面张力对材料成形过程及部件质量的影响？

１)表面张力:是金属液表面质点因受周围质点对其作用力不平衡，在表面液膜单位长度上所受的紧绷力或单位表面积上的能量。其实质是质点间的作用力。

2）影响表面张力的因素

(1)熔点:熔沸点高，表面张力往往越大。(2）温度:温度上升,表面张力下降，如A ｌ、Mg 、Zn 等,但Ｃu 、Ｆe 相反。(3)溶质元素(杂质):正吸附的表面活性物质表面张力下降(金属液表面)；负吸附的表面非活性物质表面张力上升(金属液内部)。(4)流体性质：不同的流体,表面张力不同。

3)表面张力影响液态成形整个过程，晶体成核及长大、机械粘砂、缩松、热裂、夹杂及气泡等铸造缺陷都与表面张力关系密切。

3.?液态金属的流动性。影响液态金属的流动性的因素？液态金属的流动性对铸件质量的影响？

１)液态金属的流动性是指液态金属本身的流动能力。

2）影响液态金属的流动性的因素有：液态金属的成分、温度、杂质含量及物理性质有关，与外界因素无关。

3）好的流动性利于缺陷的防止：(1)补缩(2）防裂(3)充型(4)气体与杂质易上浮。

4. 液态金属的充型能力。影响液态金属的充型能力的因素？

1)液态金属的充型能力是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰铸件的能力。

2）影响液态金属的充型能力的因素有:

(１)内因是金属自身流动性；(2)外因有型的性质、浇注条件、型腔结构形状［(1)金属性质:1)合金成分2)结晶潜热3)比热、密度、导热系数

4）粘度５)表面张力;（2)铸型性质方面因素：１)型的蓄热系数大2）型的温度３)型中气体；(3)浇注条件方面因素：１)浇注温度2)充型压头3)浇注系统结构；(４)铸件结构方面因素:1)折算厚度2）复杂程度］

５．?液态金属的充型能力与流动性的区别和联系？

1)液态金属的充型能力首先取决于液态金属本身的流动能力，同时又和外界条件密切相关。

2)液态金属自身的流动能力称为“流动性”,由液态金属的成分、温度、杂质含量等决定的，而与外界因素无关,流动性可认为是特定条件下的充型能力。

3)液态金属流动性好,其充型能力强，反之其充型能力差，但这可以通过外界条件来提高充型能力。

第三章 液态金属凝固热力学和动力学

1．?什么是溶质再分配?溶质分配系数表达式？

1)溶质再分配:合金析出的固相中溶质含量不同于其周围液相内溶质含量的现象,产生成分梯度,引起溶质扩散。

２)溶质分配系数ｋ：凝固过程中固液界面固相侧溶质质量分数m S 与液相中溶质质量分数m L 之比，即k=m Ｓ/ｍL 。

２. 均质形核与非均质形核(异质形核)。

1)均质形核：依靠液态金属内部自身的结构自发的形核。

2)非均质形核:依靠外来夹杂或型壁所提供的异质界面进行形核过程。

３.?界面共格对应关系及其判别?

1)固体质点的某一晶面和晶核的原子排列规律相似，原子间距离相近或在一定的范围内成比例,就可能实现界面共格对应,该固体质点就可能成为形核的衬底。这种对应关系叫共格对应关系。

２)共格对应关系用点阵失配度δ衡量即

%

100||?-=z z s a a a δ (1)δ≤5%为完全共格,形核能力强;（2）５%＜δ≤25%为部分共格,夹杂物衬底有一定的形核能力;（３)δ>25%为不共格,夹杂物衬底无形核能力。

4． 点阵失配度

点阵失配度δ即

%

100||?-=z z s a a a δ 其中a s 、a z 分别为夹杂物、晶核原子间距离。用来衡量界面共格对应关系。

5． 晶体的宏观长大方式？

１)平面方式长大 条件:(1)固液界面前方液体的正温度梯度分布G Ｌ>0，液相温度高于界面温度T ｉ;(2)固液前方液体过冷区域及过冷度极小;(3）晶体生长时凝固潜热的析出方向同晶体生长方向相反。生长过程：生长时,一旦某一晶体生长伸入液相区就会被重新熔化，从而导致晶体以平面方式生长。

2)树枝晶方式长大 条件：(1)固液界面前方负温度梯度分布G L ＜0，液相温度低于凝固温度T i ;(2)固液界面前液体过冷区域较大,距界面越远的液体其过冷度越大；（3）晶体生长时凝固潜热析出的方向同晶体生长方向相同。生长过程:界面上突起的晶体将快速伸入过冷液体中,一次晶臂长出二次晶臂，甚至长出三次晶臂,产生枝晶，以树枝晶方式生长。

6. 固液界面微观结构有哪几种?

１)粗糙界面:当a ≤2，ｘ=０．５时,界面固相一侧的点阵位置有50%左右被固相原子占据,另部分位置空着,其微观上是粗糙的、高低不平的,大多数金属都属于这种结构。

2)光滑或平整界面：当a>2,0.05＜x ＜0.９5时,界面固相一侧的点阵几乎被原子占满,或者几乎全部是空位,其微观上是光滑的,非金属及其化合物大多数属于这种结构。

７.?晶体的微观长大方式？

1)晶体连续或垂直生长(正常生长方式):对于粗糙的固液界面,由于界面有5０％的空位可接受原子，故液体中的原子可单个进入空位与晶体连接，界面沿法线方向向前推进,绝大数金属采用这种方式生长。生长特点：(1)几乎不存在热力学能障;(2)生长所需动力学过冷度小;(3)生长速度最高;（4）生长速率与过冷度成正比(v １＝Ｋ1ΔT K )。

2)晶体二维生长:对于平整的固液界面,因界面上没有多少位置供原子占据,单个原子无法往界面碓砌,如同均质形核，在平整界面上形成一个原

子厚度的核心,适合非金属的生长。生长特点:(1)生核需要过冷度大;（２)原子只能往台阶的侧面生长,几率小,生长速率低（v 2=Ｋ2ｅ-Ｂ/ΔTk )。

3)晶体从缺陷处生长：平整界面二维生长的另一种形式，它不是由形核来形成二维台阶，而是依靠晶体缺陷产生台阶，如位错、孪晶等,分螺旋位错生长,旋转孪晶生长和反射孪晶生长。生长特点：(１)热力学能障小；（2）台阶不会消失;(３)生长速度快，仍比较粗糙界面生长速度慢;(4)过冷度大,位错密度大，台阶多，速度加快。

8. 晶体的各微观长大方式的长大速度与过冷度有何关系?

1)晶体连续或垂直生长：生长所需热力学能障小，生长速度与过冷度成正比 v １=K 1ΔT K ，生长速度很快;

2）晶体二维生长:生核所需过冷度大,生长速率低;

３)晶体从缺陷处生长(螺旋位错生长)：过冷度大，位错密度大，生长速度快,但仍比较粗糙界面生长速度慢v 3=Ｋ3·ΔT Ｋ

2 4)当过冷度很大时，三者的生长速度趋于一致,平整界面上会产生大量的二维中心,或产生大量的螺旋台阶,使平整界面变成粗糙界面。

第四章 液态金属凝固过程中的传热及传质

1. 铸件的凝固方式有哪几种?影响铸件凝固方式的因素?

1)铸件的凝固方式：

(1)逐层凝固方式:纯金属、共晶合晶或结晶范围很小的合金,铸件断面温度梯度很大,导致铸件凝固区很小或没有。(２)体积凝固方式:合金结晶温度范围比较大或铸件断面温度梯度小，铸件凝固范围大。(３)中间凝固方式：铸件的凝固范围在以上两者之间。

2)影响铸件凝固方式的因素：

（1)合金的化学成分:纯金属、共晶合金的凝固温度范围区间(液固温度差)为零，属于逐层凝固方式；当合金凝固温度区间很大时,凝固范围宽,为体积凝固方式。

(2)铸件断面温度梯度：温度梯度小,则易产生体积凝固方式凝固。

第五章 单相合金的凝固

1． 热过冷与成分过冷。

1)热过冷：金属凝固时所需的过冷度若完全由热扩散控制,这样的过冷叫热过冷,其大小为凝固点与实际温度之差,纯金属的凝固时就是热过冷。

2)成分过冷:合金由于溶质再分配导致界面前方熔体成分及凝固温度发生变化引起的过冷。

补:热过冷仅受传热过程控制，成分过冷同时受传热过程和传质过程控制。

２. 成分过冷如何产生？

1)过程分析:

（1)合金在近平衡凝固过程中，溶质发生再分配,在固—液界面的液相侧中形成一个溶质富集区。(2)由相图可知，液相成分不同,导致理论凝固温度变化,当固相无扩散而液相只有扩散的单相合金凝固时，界面处溶质含量最高，离界面越远,溶质含量越低,固液界面前平衡液相温度曲线上凸（T Ｌ(x’))，界面处平面温度最低，离界面越远，液相温度越高。(３)由于固相导热，固液界面前分的实际温度分布呈直线T(x’),温度梯度为正,界面处实际温度最低,离界面越远,液相实际温度越高。(4）固液界面前方液体的过冷度为平衡液相温度(即理论凝固温度)T L (ｘ’）与实际温度T （x’)之差,即ΔＴc= T L (x’)－ T （ｘ’）。

２)必备条件

(１)在固—液界面溶质再分配引起成分富集。

(２)固液界面前方液相的实际温度梯度必须达到一定的值,即G L ≤{ｄ T Ｌ（x’)/dｘ’}｜x’=0。

3.?成分过冷的判别式?

00

)1(k D k C m v G L L L --≤（ＧＬ温度分布梯度，D L 溶质扩散系数，ｖ凝固速度，m Ｌ液相线斜率(m Ｌ<０），Ｃ0合金浓度,k 0溶质分配系数) 4.?成分过冷对单相合金凝固过程的影响?

1)在传质过程的无成分过冷或负温度梯度时合金同纯金属一样,界面为平面和树枝状形态;

2)在正的温度梯度时,晶体的生长方式产生多样性:当稍有成分过冷时为胞状生长;随着成分过冷的增加(即温度梯度下降),晶体由胞状晶变为柱状晶、柱状枝晶和自由树枝晶(等轴晶)。

第六章 多相合金的凝固

１．?伪共晶。共晶共生区。对称形共晶共生区与非对称形共晶共生区及其产生的条件?

１)伪共晶：近平衡条件下,即使非共晶成分的合金,当较快冷却到两条液相线延长线所包围的影响区时，也能获得1００％共晶组织。这样由非共晶成分获得的共晶组织为伪共晶组织。

2）共晶共生区:两条液相线的延长线所包围的区域。

3)对称型共晶共生区：(1）组成共晶的两个组元熔点相近;(２)两条液相线形状彼此对称;(3)共晶两相性质相近;(4)两相在共晶成分附近析出能力相当，易于彼此依附的双相核心；（５）两相在共晶成分附近扩散能力接近,易于保持两相等速协同生长。

非对称共晶共生区:(1）组成共晶的两个组元熔点相差较大;(2)两条液相线形状不对称,共晶点通常靠近低熔点组元一侧；（3）共晶两相性质相差很大;(４)高熔点相易于析出，为领先相,其生长速度也较快，对原子的需求多;(5）为满足共生生长条件,需要在含量较高熔点组元的合金成分下进行共晶转变。所以共晶区要偏向高熔点组元一侧。两相性质差别越大，偏离越严重。

2.?什么是搭桥？

搭桥：领先相表面一旦出现第二相，则可通过彼此依附交替生长的方式产生新的层片来构成所需共生界面,不需每个层片重新生核,称为搭桥。

3.?层片状共晶的生长过程。

1)生核：（１）首先在液相中析出呈球状α领先相（共晶核心)；(2）β相以α相为衬底依附其侧面析出生长;(３)β相析出又促进α相依附β相侧面生长，如此交替搭桥地长成球状共生界得双相核心。

2)生长：生长时,两相各向界面前沿排出另一组原子。α相前沿富集Ｂ元素,β相前沿富集A 元素。AB 元素横向扩散为对方生长创造条件，提供原子。