材料工程基礎(chǔ)(起華榮)

1、材料工程基礎(chǔ)(起華榮部分)第一章 液態(tài)金屬的性質(zhì)第二章 金屬的氧化、揮發(fā)和除渣精煉 第三章 吸氣和脫氣精煉 第四章 成分控制第五章 單相合金的凝固第六章 鑄錠晶粒組織及其細(xì)化第七章 鑄錠常見缺陷分析1. 液態(tài)金屬的“短程有序、長(zhǎng)程無序”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)體現(xiàn)在哪4個(gè)方面？答：（1）原子團(tuán)（由十幾到幾百個(gè)原子組成）內(nèi)，原子間仍然保持較強(qiáng)的結(jié)合力和原子排列的規(guī)律性，既短程有序；（2）原子團(tuán)間的距離增大（產(chǎn)生空穴），結(jié)合力減小，原子團(tuán)具有流動(dòng)性質(zhì)；（3）存在能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏；（4）隨溫度的提高，原子團(tuán)尺寸減小、流動(dòng)速度提高。 2. 液態(tài)金屬粘度概念及公式答：液體中流速不同的兩個(gè)相鄰液層間產(chǎn)生摩擦阻力，阻礙液

2、體的流動(dòng)，該內(nèi)摩擦力是液體的基本物理特性之一，稱為粘度。公式：3、 什么是液態(tài)金屬的表面張力？答：液態(tài)金屬和氣體組成的體系中，由于表面層原子處于力不平衡狀態(tài)，產(chǎn)生了垂直于液體表面、指向液體內(nèi)部的力，該力總是力圖使表面減小。4、 為什么熔點(diǎn)高的金屬表面張力大？答：5、 金屬氧化的熱力學(xué)判據(jù)是什么？ 答：G0<0 ，G0不僅是衡量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下金屬氧化趨勢(shì)的判據(jù)，也是衡量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氧化物穩(wěn)定性大小的一種尺度。 6、 什么是氧勢(shì)圖？有何作用？答：氧化物的G0-T關(guān)系圖。作用：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，金屬的氧化趨勢(shì)、氧化順序和可能的氧化燒損程度，一般可用氧化物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由焓變量G0，分解壓Po2或氧化物的生成

3、熱H0作判據(jù)。通常G0、Po2或H0越小，元素氧化趨勢(shì)越大，可能的氧化程度越高。7、 金屬氧化動(dòng)力學(xué)的限制性環(huán)節(jié)怎么確定？答：當(dāng) 1時(shí)，生成的氧化膜一般是致密的，連續(xù)的，有保護(hù)性的，內(nèi)擴(kuò)散速度慢，因而內(nèi)擴(kuò)散成為限制性環(huán)節(jié)。Al、Be、Si等大多數(shù)金屬生成的氧化膜具有這種特性；當(dāng) 1時(shí)，氧化膜是疏松多孔的，無保護(hù)性的。限制性環(huán)節(jié)將由內(nèi)擴(kuò)散變?yōu)榻Y(jié)晶化學(xué)反應(yīng)。堿金屬及堿土金屬（如Li、Mg、Ca）的氧化膜具有這種特性；當(dāng) 1時(shí)，氧化物十分致密，但內(nèi)應(yīng)力很大，氧化膜增長(zhǎng)到一定厚度后即行破裂，這種現(xiàn)象周期性出現(xiàn)，故該氧化膜是非保護(hù)性的。如Fe的氧化膜8、 什么是金屬氧化膜的致密度？有何作用？答：定義為氧

4、化物的分子體積MV與形成該氧化物的金屬原子體積AV之比。作用：確定金屬氧化動(dòng)力學(xué)的限制性環(huán)節(jié)。9、 結(jié)合揮發(fā)速率的Dalton公式說明影響金屬揮發(fā)的因素。答：P-體系的外壓，b-與金屬性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，P0Me-金屬的蒸氣壓，Pme-實(shí)際分壓。10、 按夾渣的來源可分為外來夾渣和內(nèi)生夾渣兩種。11、 根據(jù)Stokes定律說明影響靜置除渣時(shí)間的主要因素，進(jìn)一步說明為什么用靜置法難以去除小直徑的夾渣？答：u為夾雜物上浮或下沉的速度；為金屬液的粘度；r表示球形夾雜半徑; PMe和Pi分別為金屬熔體和夾雜的密度，g是重力加速度。當(dāng)合金和溫度一定時(shí)，由于熔體的粘度及熔體與夾渣的比重差不會(huì)有很大變化，所以主

5、要靠增大夾渣尺寸與熔體分離。如夾渣以不同尺寸的顆粒混雜存在，則較大顆粒上浮得快。在其上浮過程中，將吸收其他較小夾雜而急速長(zhǎng)大，故難以去除小直徑的夾渣。12、 氣體在鑄錠中有三種存在形態(tài)：固溶體、化合物和氣孔。13、 脫氣精煉主要是指從熔體中除去氫氣。14、 金屬吸收氣體由哪四個(gè)過程組成？誰(shuí)是限制性環(huán)節(jié)？答：1）氣體分子碰撞到金屬表面；2）在金屬表面上氣體分子離解為原子；3）氣體原子（化學(xué)）吸附在金屬表面上； 4）氣體原子擴(kuò)散進(jìn)入金屬內(nèi)部（反應(yīng)）。前三個(gè)過程是吸附過程，最后一個(gè)是擴(kuò)散溶解過程。占支配地位的是擴(kuò)散過程（限制性環(huán)節(jié)），它決定著金屬的吸氣速度。 15、 實(shí)踐表明，混合氣體精煉時(shí)當(dāng)氯氣的

6、濃度為16%時(shí)，除氣效果最好。16、 簡(jiǎn)述分壓差脫氣精煉的原理和方法。答：將溶解有氣體的金屬熔體置于氫分壓很小的真空中，或?qū)⒍栊詺怏w導(dǎo)入熔體，便提供了脫氫的驅(qū)動(dòng)力。由于氣泡內(nèi)部開始完全沒有氫氣，即氫分壓為零，而氣泡周圍的熔體中，氫的分壓>0,在氣泡內(nèi)、外氫分壓差的作用下，使溶解的氫原子向熔體-氣泡界面擴(kuò)散，并在該處復(fù)合氫分子進(jìn)入氣泡內(nèi)，然后隨氣泡一起上浮而自熔體逸出。分壓差脫氣過程包括：金屬熔體中的氣體原子向熔體-氣泡界面擴(kuò)散；在熔體-氣泡界面發(fā)生2H=H2反應(yīng)和氫氣進(jìn)入惰性氣泡內(nèi)；氫氣隨氣泡上浮并自熔體逸出。分壓差脫氣精煉法可分為氣體脫氣法、熔劑脫氣法，沸騰脫氣法和真空脫氣法四種。17

7、、 合金的成分主要通過備料、配料及成分調(diào)整等過程實(shí)現(xiàn)，并通過熔體質(zhì)量檢驗(yàn)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。18、 配料計(jì)算程序由哪4步組成？要求能夠完成配料計(jì)算，填寫配料計(jì)算卡片。答：首先計(jì)算包括熔損在內(nèi)的各成分需要量；其次計(jì)算由廢料帶入的各成分量；再計(jì)算所需中間合金和新金屬料量；最后核算。19、 加工材料用合金，其組織多以單相固溶體為主。20、 什么是平衡分布系數(shù)？答：衡量溶質(zhì)再分布狀況的主要參數(shù)是平衡分布系數(shù)k。它表示同一溫度下固相成分CS與其相平衡的液相成分CL之比值，即：k=CS/CL 當(dāng)合金的液相線和固相線向下傾斜時(shí)，CSCL，k1；反之，CSCL，則k1。多數(shù)合金元素及雜質(zhì)在基體金屬中k1，所以

8、在以后的討論中，將以k1的合金為主。21、 為什么在非平衡凝固條件下，單相合金凝固鑄件中會(huì)出現(xiàn)共晶體？答：在凝固后期，液相成分遠(yuǎn)高于C0，甚至可達(dá)到共晶體分成CE，使單相合金鑄錠中出現(xiàn)共晶組織。22、 成分過冷是怎樣影響鑄件組織的形態(tài)的？答：隨著成分過冷由弱到強(qiáng)，單相合金的固/液界面生長(zhǎng)方式依次成為平面狀、胞狀、胞狀-樹枝狀四種形式，得到的晶體相應(yīng)為平面狀晶、胞狀晶、胞狀枝晶以及柱狀枝晶和自由枝晶。23、 鐵模鑄錠的組織由哪三個(gè)區(qū)域組成？ 答：鐵模鑄錠的組織由三個(gè)區(qū)域組成：表面細(xì)等軸晶區(qū)(又稱激冷晶區(qū))，柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)。 24、 細(xì)晶強(qiáng)化的原理是什么？答：細(xì)小等軸晶組織各向異性小，加工

9、時(shí)變形均勻，且使易偏聚在晶界上的雜質(zhì)、夾渣及低熔點(diǎn)共晶組織分布更均勻，因此具有細(xì)小等軸晶組織的鑄錠，其機(jī)械性能和加工性能均較好。25、 細(xì)化鑄錠組織的方法有哪些？答：增大冷卻強(qiáng)度 ，加強(qiáng)金屬流動(dòng)性如改變澆筑方式、錠模周期性振動(dòng)和攪拌。26、 鑄錠中化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析，偏析分為顯微偏析和宏觀偏析兩類。27、 防止縮孔及縮松的途徑是什么？答：在保證鑄錠自下而上順序凝固的條件下，盡可能使縮松轉(zhuǎn)化為鑄錠頭部的縮孔，然后通過人工補(bǔ)縮來消除。28、 在凝固過程中產(chǎn)生的裂紋稱為熱裂紋，凝固后冷卻過程中產(chǎn)生的裂紋稱為冷裂紋。29、 主要的凝固缺陷有哪些？答：偏析、縮孔、裂紋、氣孔及非金屬夾雜物等常見

10、缺陷。30、 帶狀偏析是怎樣產(chǎn)生的？ 答：帶狀偏析出現(xiàn)在定向凝固的鑄錠中，其特征是偏析帶平行于固/液界面，并沿著凝固方向周期性地出現(xiàn)。 31、 產(chǎn)生縮孔和縮松的原因是什么？答：產(chǎn)生縮孔和縮松的最直接原因是金屬液凝固時(shí)發(fā)生的凝固體收縮。32、 你怎么知道某種材料的化學(xué)成分？答：金屬材料的化學(xué)成分包括主要成分和雜質(zhì)兩部分，各牌號(hào)合金成分都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定和規(guī)范。合金的成分主要通過備料、配料（含中間合金、熔劑等）及成分調(diào)整等過程實(shí)現(xiàn)，并通過熔體質(zhì)量檢驗(yàn)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。 33、什么是計(jì)算成分？答:一般是取各元素的中限（即平均成分）作為計(jì)算成分。計(jì)算成分的選擇還與合金的用途及使用性能、加工方法及

11、工藝性能、合金元素的熔損、雜質(zhì)的吸收和積累以及節(jié)約貴重金屬的考慮等有關(guān)。 34、熔鑄材料所用的料有哪些？答：一般包括新金屬料、廢料及中間合金等三種。35、什么是中間合金？答：為了便于加入某些熔點(diǎn)較高且不易溶解或易氧化、揮發(fā)的合金元素，以便更準(zhǔn)確地控制成分而預(yù)先制成的母合金稱為中間合金。36、如何保證材料的化學(xué)成分？答：金屬材料的化學(xué)成分包括主要成分和雜質(zhì)兩部分，各牌號(hào)合金成分都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定和規(guī)范。合金的成分主要通過備料、配料（含中間合金、熔劑等）及成分調(diào)整等過程實(shí)現(xiàn)，并通過熔體質(zhì)量檢驗(yàn)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。 37、什么是溶質(zhì)再分布？答：合金在非平衡凝固時(shí)，鑄件成分偏離原始成分、隨凝固過程

12、和條件不同，先后凝固部分的成分不均勻、不一致的現(xiàn)象。38、什么是成分過冷？答：如果界面前沿液體的實(shí)際溫度T實(shí)低于TL，則這部分液體處于過冷狀態(tài)的現(xiàn)象。39、什么是變質(zhì)處理？答：指向金屬液內(nèi)添加少量物質(zhì)，促進(jìn)金屬液生核或改變晶體生長(zhǎng)過程，使鑄態(tài)組織細(xì)化的一種方法，所添加的物質(zhì)稱為變質(zhì)劑。40、細(xì)化晶體尺寸有什么好處？答：細(xì)小等軸晶組織各向異性小，加工時(shí)變形均勻，且使易偏聚在晶界上的雜質(zhì)、夾渣及低熔點(diǎn)共晶組織分布更均勻，因此具有細(xì)小等軸晶組織的鑄錠，其機(jī)械性能和加工性能均較好。41、什么是微觀偏析？什么是宏觀偏析？答：前者是指一個(gè)晶粒范圍內(nèi)的偏析，包括枝晶偏析和晶界偏析。后者是指較大區(qū)域內(nèi)的偏析，