液態(tài)成形原理名詞解釋及簡答題

1、一、名詞解釋。過冷度：金屬的理論結(jié)晶溫度和實際結(jié)晶溫度的差值均質(zhì)形核：在沒有任何外來的均勻熔體中的形核過程異質(zhì)形核：在不均勻的熔體中依靠外來雜質(zhì)或者型壁面提供的襯底進行形核的過程異質(zhì)形核速率的大小和兩方面有關(guān)， 一方面是過冷度的大小， 過冷度越大形核速率越快。 二是和界面有關(guān)界面和夾雜物的特性形態(tài)和數(shù)量來決定，如果夾雜物的基底和晶核潤濕，那么形核速率大。形核速率：在單位時間單位體積內(nèi)生成固相核心的數(shù)目液態(tài)成型：將液態(tài)金屬澆入鑄型之， 凝固后獲得具有一定形狀和性能的鑄件或者鑄錠的方法復合材料：有兩種或者兩種以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)復合組成一種多相固體定向凝固：使金屬或者合金在熔體中定向生長晶

2、體的方法溶質(zhì)再分配系數(shù)： 凝固過程當中， 固相側(cè)溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)和液相側(cè)溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的比值流動性是確定條件下的充型能力， 液態(tài)金屬本身的流動能力叫做流動性液態(tài)金屬的充型能力是指液態(tài)金屬充滿鑄型型腔獲得完整輪廓清晰的鑄件能力影響充型能力的因素：（1）金屬本身的因素包括金屬的密度、金屬的比熱容、金屬的結(jié)晶潛熱、金屬的粘度、金屬的表面張力、金屬的熱導率金屬的結(jié)晶特點。（2）鑄型方面的因素包括鑄型的蓄熱系數(shù)、鑄型的溫度、鑄型的密度、鑄型的比熱容、鑄型的涂料層、鑄型的透氣性和發(fā)氣性、鑄件的折算厚度（ 3）澆注方面的因素包括液態(tài)金屬的澆注溫度、液態(tài)金屬的靜壓頭、澆注系統(tǒng)中的壓頭總損失和影響液態(tài)金屬凝固過程的因

3、素：主要因素是化學成分冷卻速度是影響凝固過程的主要工藝因素 液態(tài)合金的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及冶金處理（孕育處理、變質(zhì)處理、微合金化）等對液態(tài)金屬的凝固也有重要影響液態(tài)金屬凝固過程當中的液體流動主要包括自然對流和強迫對流， 自然對流是由于密度差和凝固收縮引起的流動， 由密度差引起的對流成為浮力流。凝固過程中由傳熱。 傳質(zhì)和溶質(zhì)再分配引起液態(tài)合金密度的不均勻，密度小的液相上浮，密度大的下沉，稱為雙擴散對流，凝固以及收縮引起的對流主要主要產(chǎn)生在枝晶之間， 強迫對流是由液體受到各種方式的驅(qū)動力產(chǎn)生的對流，例如壓力頭。機械攪動、鑄型震動、外加磁場。鑄件的凝固方式： 層狀凝固方式 （動態(tài)凝固曲線之間的距離很小的時

4、候）、體積凝固方式（動態(tài)凝固曲線之間的距離很大的時候） 、中間凝固方式（介于中間情況的時候） 、影響鑄件凝固方式的因素有二： 一是合金的化學成分， 二是鑄件斷面上的溫度梯度。熱力學能障動力學能障： 熱力學能障是右被迫處于高自由能過度狀態(tài)下的界面原子產(chǎn)生的他能直接影響系統(tǒng)自由能的大小， 動力學能障是由于金屬原子穿越界面過程引起的， 他與驅(qū)動力的大小無關(guān)， 而僅僅取決于界面的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，例如激活自由能。單從熱力學條件來看，液相的自由能已經(jīng)大于固相的自由能， 固相為穩(wěn)定相， 相變應(yīng)該沒有能障，但是要想液相原子具有足夠的的能量越過高能界面， 還需動力學條件，因此液態(tài)金屬凝固過程中必須克服熱力學和動力學

5、兩個能障。液態(tài)金屬在成分、溫度、能量、上不是均勻的，即存在成分、能量、結(jié)構(gòu)的三個起伏，正是這三個起伏去克服熱力學和動力學能障，使凝固過程能夠進行下去。 凝固過程當中溶質(zhì)分配的平衡條件：凝固界面上溶質(zhì)遷移的平衡、固相液相內(nèi)部擴散的平衡。熱過冷：金屬凝固時所需過冷度完全由傳熱所提供僅由熔體實際溫度分布決定、成分過冷：凝固時由于溶質(zhì)再分配，固液前沿溶質(zhì)濃度變化，引起理論凝固溫度的改變而在固液界面前液相內(nèi)形成的過冷， 這種由于固液界面前方溶質(zhì)再分配引起的過冷叫做成分過冷成分過冷對晶體的外貌有什么影響： 無成分過冷平面生長， 窄成分過冷胞狀生長，較寬成分過冷區(qū)柱狀樹枝晶生長， 寬成分過冷區(qū)自由樹枝晶生長

6、。就合金的宏觀結(jié)晶狀態(tài)而言， 平面生長、胞狀生長柱狀樹枝晶生長都屬于一種晶體自型壁生核然后由外向內(nèi)單向延伸的生長方式， 稱為外生長，而等軸晶是在液體的內(nèi)部自由生長的，稱為內(nèi)生長。枝晶距離指的是相鄰同次枝晶之間的垂直距離熱過冷完全由熱擴散控制， 成分過冷不僅由熱擴散控制還和溶質(zhì)擴散相關(guān)。產(chǎn)生成分過冷具備兩個條件： 固液界面前沿的溶質(zhì)的富集而引起成分再分配、固液界面前方液相的實際溫度分布必須達到一定值。獲得全部柱狀晶的條件：激冷鑄型形成穩(wěn)定的凝固層防止晶體游離、提高金屬的純度減小成分過冷縮頸的能力、 減少液體的流動， 提高澆注溫度使晶體游離重熔厚達鑄件獲得等軸晶的辦法： （1）降低澆注溫度，有利于

7、游離晶粒的殘余和產(chǎn)生較多的游離晶粒。 （2）對金屬液進行處理，加入形核劑強化非均質(zhì)形核。（3）澆注系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該考慮到低溫快速澆注使游離晶粒不重熔（ 4）使晶體內(nèi)液體流動，有利于大量游離晶粒的生成。在熔點溫度的固態(tài)金屬變?yōu)橥瑴囟鹊囊簯B(tài)金屬的時候， 金屬要吸收大量的熱量，稱為融化潛熱鑄錠典型宏觀組織的三個晶區(qū)及其組成： 表面細晶區(qū)是緊靠型壁的激冷組織，由無數(shù)細小等軸晶組成。 中間的柱狀晶區(qū)由垂直于型壁且彼此平行排列的柱狀晶組成。內(nèi)部的等軸晶區(qū)由各向同性的等軸晶組成影響液體金屬粘度的主要因素是化學成分、溫度、夾雜物。一般的難容化合物的液體粘度較高， 熔點低的共晶成分合金粘度較低。液體的粘度隨著溫度

8、的升高粘度降低。 液態(tài)金屬中呈固態(tài)的非金屬夾雜物使液態(tài)金屬的粘度增加。冶金處理對液態(tài)金屬的粘度也有一定的影響，如孕育變質(zhì)晶粒細化處理等。粘度的實質(zhì)是原子之間的結(jié)合力影響表面張力的因素：熔點 熔點沸點高則表面張力也大。 溫度 表面張力隨著溫度的升高而降低。 溶質(zhì)元素 溶質(zhì)元素對表面張力的影響分為兩大類 一類是使表面張力降低的元素，我們叫這類元素為表面活性元素，其表面含量大于內(nèi)部含量， 我們叫他為正吸附元素另外一類是使表面張力升高的元素， 我們叫這類元素為非表面活性元素。 其表面含量少于內(nèi)部含量，稱為負吸附元素。 29 潤濕角在 p16毛細現(xiàn)象是液體對管壁的潤濕引起的半固態(tài)合金的優(yōu)點： 對鑄型的熱

9、腐蝕小， 可以對黑色或者其他熔點的合金成型，填充平穩(wěn)減少氣體的卷入提高致密度， 可實現(xiàn)自動化可告訴成型。半固態(tài)合金的特性：熱容量低于液相，粘度高于液相，填充的時候已經(jīng)有固相的存在，可與其他材料復合液體金屬在枝晶之間流動的驅(qū)動力來自于三方面，一是凝固時的收縮，二是液體化學成分的變化引起的密度變化，三是液體、固體在溫度降低冷卻收縮時產(chǎn)生的收縮力。鑄件的凝固時間指的是液態(tài)金屬充滿鑄型的時刻到凝固完畢所需要的時間，單位時間內(nèi)凝固層增長的厚度為凝固速度晶體（純金屬）宏觀長大的方式取決于界面前方液體中的的溫度分布，即溫度梯度，在結(jié)晶界面前方存在正溫度梯度和負溫度梯度， 當溫度梯度為正的時候晶體以平面方式長

10、大， 當溫度梯度為負的時候晶體以樹枝晶的方式生長。晶體的微觀長大方式分為粗糙界面和平整界面為什么過冷度是液態(tài)金屬凝固的驅(qū)動力？因為只有實際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度， 才能滿足晶體結(jié)晶的熱力學條件， 過冷度越大固液兩相的自由能相差更大， 液態(tài)金屬結(jié)晶的驅(qū)動力也更大， 結(jié)晶速度也越快。成分過冷區(qū)的寬度隨著凝固速度的增加而減小， 隨著擴散系數(shù)的增大而增大溶質(zhì)再分配不僅由平衡分配系數(shù) k0 決定還受自身擴散性質(zhì)的制約，液相中的對流強弱等因素也將影響溶質(zhì)再分配。在普通的工業(yè)條件下 從熱力學考慮 當非共晶成分的合金較快的冷卻到兩條液相線所包圍的影線區(qū)域內(nèi)時 液相內(nèi)兩相達到飽和 兩相具備了同時析出的條件 但

11、是一般總是某一相先析出 然后在其表面上析出另外一相 于是開始了兩相競爭析出的共晶凝固過程最后獲得百分之百的共晶組織。影響成分過冷的因素有工藝因素和合金本身的因素。 工藝因素：液相中溫度梯度 gl 越小成分過冷越大，晶體生長速度越快成分過冷越大。合金本身因素： ml 越大即液相線的斜率大、原始成分的 c0 大液相中溶質(zhì)擴散系數(shù) dl 越低、k0>1 時候 k0 越大 k0<1 時 k0 越小則成分過冷越大 .上述的工藝因素是可以控制的規(guī)則共晶凝固和非規(guī)則共晶凝固的異同 規(guī)則共晶凝固時候影響其組織形態(tài)的因素規(guī)則共晶、非規(guī)則共晶、偽共晶組織、片層間距 加入生核劑的目的是強化非均質(zhì)形核，

12、根據(jù)生核質(zhì)點的作用過程， 生核劑主要分為以下幾種：（1）直接作為外加晶核的生核劑，這種生核劑是與被細化相具有界面共格對應(yīng)的高熔點物質(zhì)或者同類金屬、 非金屬碎粒，他們與被細化的相之間有較小的界面能， 潤濕角小，作為有效的基底促進自發(fā)形核。（2）能生成較高熔點穩(wěn)定化合物的生核劑，生核劑中的元素能與液態(tài)金屬中的元素形成較高熔點的穩(wěn)定化合物， 這類化合物與被細化相之間具有界面共格關(guān)系和較小的界面能 （3）通過在液相當中微區(qū)富集使結(jié)晶相提前彌散析出形成的生核劑， （4）強成分過冷元素的生核劑，這類元素通過在生長的固液界面前沿的富集， 使晶粒根部或者樹枝晶分枝根部產(chǎn)生細弱縮頸， 易于通過熔體的流動以及沖擊

13、而產(chǎn)生晶粒的游離，這類生核劑產(chǎn)生的強成分過冷也能強化界面前沿熔體內(nèi)部的非均質(zhì)形核， 強成分過冷元素的界面富集對晶體生長有抑制作用，降低晶體的生長速率，也使晶粒細化 。材料成型原理試卷A 試題與答案一、鑄件形成原理部分 （共 40 分） 1、概念（每小題 3 分 共 12 分）(1)過冷度； (2)液態(tài)成形； (3)復合材料； (4) 定向凝固； 答案：過冷度：金屬的理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度的差，稱為過冷度。 液態(tài)成形：將液態(tài)金屬澆入鑄型后， 凝固后獲得一定形狀和性能的鑄件或鑄錠的加工法。 復合材料：有兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)復合組成的一種多相固體。 定向凝固；定向凝固是使金屬或

14、合金在熔體中定向生長晶體的一種工藝方法。溶質(zhì)再分配系數(shù)：凝固過程中固液界面固相側(cè)溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)與液相中溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)之比，稱為溶質(zhì)再分配系數(shù)。2、回答下列問題（每小題 6 分 共 18 分）（ 1）影響液態(tài)金屬凝固過程的因素有哪些？（ 6 分）答案：影響液態(tài)金屬凝固的過程的主要因素是化學成分； 冷卻速率是影響凝固過程的主要工藝因素；液態(tài)合金的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等對液態(tài)金屬的凝固也具有重要影響。（ 2）熱過冷與成分過冷有什么本質(zhì)區(qū)別？（ 6 分）答案： 熱過冷完全由熱擴散控制。 成分過冷由固液界前方溶質(zhì)的再分配引起的， 成分過冷不僅受熱擴散控制，更受溶質(zhì)擴散控制。 （3）簡述鑄件（錠）典型宏觀凝固組織的三個

15、晶區(qū)（ 6 分）答案：表面細晶粒區(qū)是緊靠型壁的激冷組織， 由無規(guī)則排列的細小等軸晶組成； 中間柱狀晶區(qū)由垂直于型壁彼此平行排列的柱狀晶粒組成； 內(nèi)部等軸晶區(qū)由各向同性的等軸晶組成。3、 對于厚大金屬型鋼錠如何獲得細等軸晶組織？（10 分）答案：降低澆注溫度， 有利于游離晶粒的殘存和產(chǎn)生較多的游離晶粒；對金屬液處理，向液態(tài)金屬中添加生核劑，強化非均質(zhì)形核；澆注系統(tǒng)的設(shè)計要考慮到低溫快速澆注， 使游離晶不重熔；引起鑄型內(nèi)液體流動，游離晶增多，獲得等軸晶。1、解釋下列概念（共9 分，每小題 3 分）液態(tài)成形：將液態(tài)金屬澆入鑄型后， 凝固后獲得一定形狀和性能的鑄件或鑄錠的加工法。復合材料：有兩種或兩種

16、以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)復合組成的一種多相固體。溶質(zhì)再分配系數(shù)：凝固過程中固液界面固相側(cè)溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)與液相中溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)之比，稱為溶質(zhì)再分配系數(shù)。2、回答下列問題（共16 分）(1) 簡述鑄錠典型宏觀凝固組織的三個晶區(qū)及其組成（5 分）答案：表面細晶粒區(qū)是緊靠型壁的激冷組織， 由無規(guī)則排列的細小等軸晶組成；中間柱狀晶區(qū)由垂直于型壁彼此平行排列的柱狀晶粒組成；內(nèi)部等軸晶區(qū)由各向同性的等軸晶組成。(2) 產(chǎn)生成分過冷必須具備哪兩個條件？（5 分）答案：；第一是固液界面前沿溶質(zhì)的富集而引起成分再分配；第二是固液界面前方液相的實際溫度分布，或溫度分布梯度GL必須達到一定的值。(3) 影響液態(tài)金屬凝

17、固過程的因素有哪些？（6 分）答案：影響液態(tài)金屬凝固的過程的主要因素是化學成分； 冷卻速率是影響凝固過程的主要工藝因素；液態(tài)合金的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等對液態(tài)金屬的凝固也具有重要影響。2、 厚大鑄件（在干砂型中澆注）欲獲得細等軸晶組織，應(yīng)采取哪些措施？（ 15 分）答案：降低澆注溫度，有利于游離晶粒的殘存和產(chǎn)生較多的游離晶粒；對金屬液處理，向液態(tài)金屬中添加生核劑，強化非均質(zhì)形核；澆注系統(tǒng)的設(shè)計要考慮到低溫快速澆注，使游離晶不重熔； 引起鑄型內(nèi)液體流動，游離晶增多，獲得等軸晶。材料成型原理試卷A 試題與答案一、鑄件形成原理部分 （共 40 分） 1、概念（每小題 3 分 共 12 分）(1)過冷度； (2

18、)液態(tài)成形； (3)復合材料； (4) 定向凝固； 答案：過冷度：金屬的理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度的差，稱為過冷度。 液態(tài)成形：將液態(tài)金屬澆入鑄型后， 凝固后獲得一定形狀和性能的鑄件或鑄錠的加工法。 復合材料：有兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)復合組成的一種多相固體。 定向凝固；定向凝固是使金屬或合金在熔體中定向生長晶體的一種工藝方法。溶質(zhì)再分配系數(shù)：凝固過程中固液界面固相側(cè)溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)與液相中溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)之比，稱為溶質(zhì)再分配系數(shù)。2、回答下列問題（每小題 6 分 共 18 分）（ 1）影響液態(tài)金屬凝固過程的因素有哪些？（ 6 分）答案：影響液態(tài)金屬凝固的過程的主要因素是化學成分； 冷卻速率是影響凝固過程的主要工藝因素；液態(tài)合金的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等對液態(tài)金屬的凝固也具有重要影響。（ 2）熱過冷與成分過冷有什么本質(zhì)區(qū)別？（ 6 分）答案： 熱過冷完全由熱擴散控制。 成分過冷由固液界前方溶質(zhì)的再分配引起的， 成分過冷不僅受熱擴散控制，更受溶質(zhì)擴散控制。 （3）簡述鑄件（錠）典型宏觀凝固組織的三個晶區(qū)（ 6 分）答案：表面細晶粒區(qū)是緊靠型壁的激冷組織， 由無規(guī)則排列的細小等軸晶組成； 中間柱狀晶區(qū)由垂直于型壁彼此平行排列