金屬凝固原理復習大綱

1、金屬凝固原理復習大綱緒論1、凝固定義 宏觀上：物質從液態(tài)轉變成固態(tài)的過程。微觀上：激烈運動的液體原子回復到規(guī)則排列的過程。2、 液態(tài)金屬凝固的實質：原子由近程有序狀態(tài)過渡為長程有序狀態(tài)的過程 液態(tài)金屬的結構特征：“近程有序”、“遠程無序” 組成：液態(tài)金屬是由游動的原子團、空穴或裂紋構成3、 液態(tài)金屬的性質：粘度和表面張力 粘度的物理意義：單位接觸面積，單位速度梯度下兩層液體間的內摩擦力 粘度的本質上是原子間的結合力 影響液體金屬粘度的主要因素是：化學成分、溫度和夾雜物 表面張力的物理意義：作用于表面單位長度上與表面相切的力，單位N/m 影響液體金屬表面張力的主要因素是：熔點、溫度和溶質元素。取

2、決于質點間的作用力4、液體結構的特性：近程有序和遠程無序 晶體:凡是原子在空間呈規(guī)則的周期性重復排列的物質稱為晶體。 單晶體:在晶體中所有原子排列位向相同者稱為單晶體 多晶體:大多數(shù)金屬通常是由位向不同的小單晶（晶粒）組成，屬于多晶體。 吸附是液體或氣體中某種物質在相界面上產生濃度增高或降低的現(xiàn)象。 金屬從液態(tài)過渡為固體晶態(tài)的轉變稱為一次結晶 金屬從一種固態(tài)過渡為另一種固體晶態(tài)的轉變稱為二次結晶 當向溶液中加入某種溶質后，使溶液表面自由能降低，并且表面層溶質的濃度大于溶液內部深度，則稱該溶質為表面活性物質（或表面活性劑），這樣的吸附稱為正吸附。反之，如果加入溶質后，使溶液的表面自由能升高，并且

3、表面層的溶質濃度小于液體內部的濃度，則稱該溶質為非表面活性物質（或非表面活性劑），這樣的吸附為負吸附第1章 凝固過程的傳熱1、凝固過程的傳熱特點：“一熱、二遷、三傳” “一熱”指熱量的傳輸是第一重要； “二遷”指存在兩個界面，即固液相間界面和金屬鑄型間界面。 “三傳”指動量傳輸、質量傳輸和熱量傳輸?shù)娜齻黢詈系娜S熱物理過程。2、金屬型特點：具有很高的導熱性能；非金屬型鑄造特點：與金屬相比具有非常小熱導率，故凝固速度主要取決于鑄型的傳熱性能。鑄型外表面溫度變化不大，故可把鑄型看成是半無限厚的。第二章 凝固動力學1、自發(fā)過程：從不平衡態(tài)自發(fā)地移向平衡態(tài)的過程（不可逆過程）2、化學勢：某一組元的化學

4、勢為1mol該組元物質的吉布斯自由能，是1mol的恒溫等壓勢。3、公切線原理求相平衡P61.634、判斷平衡相（液相還是固相）P654、溶質平衡分配系數(shù)K0：恒溫下固相溶質濃度CS與液相溶質濃度CL達到平衡時的比值。 K0=CS/CL=mL/mS=5、界面曲率對溶質平衡分配系數(shù)k0影響：曲率半徑小的晶體，其固液界面前沿富集起來的液相溶質濃度比曲率半徑大的晶體小。在理想溶液中是均勻向下移動相圖中液固相線位置。6、壓力對溶質平衡分配系數(shù)k0的影響：均勻地向上移動相圖中液固相線位置。第3章 凝固動力學1、形核：亞穩(wěn)定的液態(tài)金屬通過起伏作用在某些微觀小區(qū)域內生成穩(wěn)定存在的晶態(tài)小質點的過程。2、均質形核

5、：在沒有任何外來的均質溶體中，依靠液體金屬內部自身結構自發(fā)地形核。均質形核在溶體各處概率相同，全部固液界面都由形核過程提供。因此熱力學能障大，所需驅動力大。 異質形核：在不均勻的溶體中依靠外來夾雜或型壁界面所提供的異質界面進行形核。異質形核首先發(fā)生在外來界面處，因此能障較小，所需的驅動力也較小。3、形核相變的驅動力：固液相體積自由能差；阻力：界面能。4、形核速率是在單位體積中單位時間內形成的晶核數(shù)目。5、在液相中那些對形核有催化作用的現(xiàn)成界面上形成的晶核稱為非自發(fā)形核6、均質形核理論的局限性： 均質形核是對理想純金屬而言的，其過冷度很大比實際液態(tài)金屬凝固時的過冷度大多了。實際上金屬結晶時的過冷

6、度一般為幾分之一攝氏度到十幾攝氏度。實際的液態(tài)金屬(合金)在凝固過程中多為異質形核。7、均質形核與異質形核的異同：相同點：異質形核的臨界晶核半徑在形式上與均質形核臨界晶核半徑完全相同不同點：均質形核臨界晶核是球體，而異質形核的晶核為球體的一部分（球冠），因而異質晶核中所含原子數(shù)目少，這樣的晶坯易形成。潤濕角與均質形核無關，而影響異質晶核的體積8、 形核劑的條件：適配度小 粗糙度大 分散性好 溫穩(wěn)定性好9、當晶格點陣適配度5% 時，通過點陣畸變過渡，可以實現(xiàn)界面兩側原子之間的一一對應。這種界面稱為完全共格界面，其界面能較低，襯底促進非均質生核的能力很強；當5%25%時為部分共格界面；當25% 時

7、，為不共格，夾雜物襯底無形核能力。10、界面共格對應原則：固相雜質表面的原子排列規(guī)律和原子（晶粒細化劑的選擇原則）間距與新相晶核相近。（晶粒細化劑選擇原則）11、粗糙界面（非小晶面）：微觀粗糙，宏觀光滑。非小晶面長大。大部分金屬屬于此類。光滑界面（小晶面）：微觀光滑，宏觀粗糙。小晶面長大。非金屬、類金屬（Bi、Sb、Si）屬于此。第4章 單相合金的凝固1、合金可分為單相合金和多相合金兩大類。單相合金是指在凝固過程中只析出一個固相的合金，如固溶體、金屬間化合物等。多相合金是指凝固過程中同時析出兩個以上新相的合金如有共晶、包晶或偏晶轉變的合金。2、溶質再分配：合金在凝固過程中，已析出固相排出多余的

8、溶質原子（或溶劑原子），并富集在界面的液體中，造成成分分離的現(xiàn)象。（合金凝固過程的一大特點）3、平衡分配系數(shù)Ko實際上描述了在固、液兩相共存的條件下溶質原子在界面兩側的平衡分配特征。4、成分過冷：合金晶體在長大過程中，因溶質再分配而引起的過冷，稱為成分過冷。其過冷度稱為成分過冷的過冷度。5、 熱過冷：金屬凝固過程中，純粹由熱擴散控制形成的過冷，稱為熱過冷，其過冷度稱為熱過冷的過冷度。6、 成分過冷條件：合金凝固過程中溶質在固-液界面前沿富集；滿足成分過冷判別式。7、 成分過冷的過冷度在生長著的固-液界面處最小，離開界面逐漸增大，因此界面很不穩(wěn)定。8、 成分過冷降低了實際過冷度，阻礙了晶體的生長

9、。凡是溶質富集的地方，那里成分過冷就越大，其過冷度就越小，該處生長就越慢。9、 影響成分過冷的因素：由成分過冷判據式可知，下列因素有利于成分過冷：液相中溫度梯度小，GL小；晶體生長速度快，v大；陡的液相線斜率，mL大；原始成分濃度高，C0大；液相中溶質擴散慢，DL低；k01時，k0小；k01時，k0大備注：和屬于工藝因素，-屬于合金方面因素。10、強成分過冷元素（表面活性元素）的選取原則：熔點低 （液相線斜率陡，mL大）原子半徑大 （液相中溶質擴散慢，DL 低）在合金中的固溶度小 （k0小）11、成分過冷的單相合金四種宏觀生長方式（如右圖）：無成分過冷的平面生長 （GL1）窄成分過冷區(qū)的胞狀生

10、長 （GL2）較寬成分過冷區(qū)的柱狀樹枝晶生長 （GL3）寬成分過冷區(qū)的自由樹枝晶生長 （GL4）12、“外生生長”與“內生生長”的概念：外生生長：晶體自型壁生核，然后由外向內單向延伸的生長方式。平面生長、胞狀生長和柱狀枝晶生長皆屬此類。內生生長：等軸枝晶在熔體內部自由生長的方式。13、合金固溶體凝固時的晶體生長形態(tài)：v 不同的成分過冷情況（成分過冷主要結論?。o成分過冷平面晶窄成分過冷區(qū)間胞狀晶成分過冷區(qū)間較寬柱狀樹枝晶寬成分過冷內部等軸晶 14、平面生長胞狀生長樹枝晶生長演變過程：由大逐漸減小，即隨“成分過冷”程度增大，固溶體生長方式變化為：平面晶胞狀晶胞狀樹枝晶(柱狀樹枝晶)內部等軸晶(自

11、由樹枝晶)第五章 多相合金的凝固1、共晶組織的分類：規(guī)則共晶(金屬一金屬共晶)，屬于非小平面非小平面共晶。v 固一液界面：在原子尺度上是粗糙界面。v 組成：金屬金屬相或金屬金屬間化合物相。v 組織形態(tài)：層片狀及棒狀（出現(xiàn)哪種結構要取決于：與相間的體積比第三組元的存在。若某一相體積分數(shù)小于1/時，該相出現(xiàn)棒狀結構；若體積分數(shù)在1/-1/2之間時，兩相均以片狀結構出現(xiàn)。造成原因：結構表面能的大小。體積分數(shù)小于1/時，棒狀結構表面能小于片狀結構；體積分數(shù)在1/-1/2之間時，片狀結構表面能小于棒狀結構）。v 決定共晶兩相長大的因素：熱流的方向和兩組元在液相中的擴散，兩相長大過程互相依賴的關系是界面附

12、近的溶質橫向擴散。v 固一液界面形態(tài)：將近似地保持著平面，其等溫面基本上也是平直的。（每一相的長大受著另一相存在的影響，當共晶結晶時，兩相并排地結晶出來并垂直于固一液界面長大）。非規(guī)則共晶(金屬一非金屬共晶)，屬于非小平面一小平面。v 固一液界面：一個是特定的晶面。v 組織形態(tài)：多種多樣，簡化為片狀與絲狀兩大類。v 固一液界面形態(tài)：非平面的且是極不規(guī)則的，其等溫面也不是平直的。金屬金屬共晶與金屬非金屬共晶相同點：熱力學原理和動力學原理一樣；不同點如上所述。2、 共生生長：在共晶合金結晶時，后析出的相依附于領先相表面而析出，進而形成相互交疊的雙相晶核且具有共同的生長界面，依靠溶質原子在界面前沿兩

13、相間的橫向擴散，互相不斷地為相鄰的另一相提供生長所需的組元，彼此偶合的共同向前生長。3、 離異生長：兩相沒有共同的生長界面，它們各以不同的速度而獨立生長，在形成的組織中沒有共生共晶的特征，這種非共生生長的共晶結晶方式稱為離異生長，所形成的組織稱為離異共晶。4、偏晶合金的最終顯微形貌將要取決于三個界面能、L1與L2的密度差以及固一液界面的推進速度5、 晶體生長機制（方式）：v 非小晶面結構連續(xù)長大（正常長大）v 小晶面結構側面長大 二維晶核臺階 晶體缺陷臺階：螺位錯、孿晶溝槽。6、“側面長大”方式的三種機制：v 二維晶核機制：臺階在界面鋪滿后即消失，要進一步長大仍須再產生二維晶核。v 螺旋位錯機

14、制：這種螺旋位錯臺階在生長過程中不會消失。v 孿晶面機制：長大過程中溝槽可保持下去，長大不斷地進行。7、 非平衡狀態(tài)下的共晶生長區(qū)P173第6章 金屬凝固的宏觀組織1、 澆注及凝固過程中液體的三種流動形式:澆注時存在液流的沖刷強制對流。澆注時及澆注完畢后液體存在自然對流。存在著枝晶間及分枝間的液體流動微觀流動。2、金屬凝固的典型宏觀組織：表層細晶區(qū)內部柱狀晶區(qū)：晶粒垂直于型壁排列，且平行于熱流方向中心等軸晶區(qū)：晶粒較為粗大3、獲得細等軸晶的措施：增大冷卻速度（V冷）和降低澆注溫度（t澆）加強液體在澆注和凝固期間的流動（促使型壁上已凝固層晶體的脫落，分枝的熔斷脫落及脫落晶體的增殖。）孕育處理外加

15、晶核：（在澆注時向液流中加入被細化相具有界面共格對應的高熔點物質或同類金屬的碎粒，使之成為異質形核的有效襯底，促使異質形核，增加晶粒數(shù)而細化晶粒。）采用生核劑（加入的物質不一定能作為晶核，但通過它與液態(tài)金屬的某些元素相互作用，能產生晶核或成為有效襯底，這類物質稱為生核劑。）采用強過冷成分元素（強成分過冷元素在Al-Si合金中稱為變質劑，生產中稱為變質處理）孕育處理是指在凝固過程中，向液態(tài)金屬中添加少量其它物質，促進形核、抑制生長，達到細化晶粒的目的。簡答題目：1、 純金屬和實際金屬液態(tài)結構有何異同？純金屬的液態(tài)結構：接近熔點的液態(tài)金屬是由和原子晶體顯微晶體和“空穴”組成。 實際金屬的

16、液態(tài)結構：存在著兩種起伏：能量起伏、濃度起伏。微觀上是由結構和成分不同的游動原子集團，空穴和許多固態(tài)，氣態(tài)，液態(tài)化合物組成，是一種渾濁液體，而從化學鍵上看除了金屬基體與其合金元素組成的金屬鍵外，還存在著其他化學健。2、 液態(tài)金屬的基本特征是什么？有固定的體積。有很好的流動性。物理化學性質接近于固態(tài)，而遠離氣態(tài)。3、 相平衡條件相平衡時，每一組元在共存的各相中的化學勢都必須相等。在k個元素含有p個相的體系中，恒溫等壓的化學平衡條件是：4、 固液界面在結構上有哪兩種類型？他們在微觀和宏觀上的特點是什么？光滑界面（小平面）和粗糙界面（非小平面）。粗糙界面：微觀粗糙，宏觀光滑；光滑界面：微觀光滑，宏觀

17、粗糙。5、 界面類型的實質是什么？能量最低時的原子沉積幾率不同。能量最低時原子沉積幾率近似為0或1，說明是光滑界面；能量最低時原子沉積幾率近似為遠離0或1，說明是粗糙界面。6、 討論長大機制與過冷度的關系。過冷度小，按螺位錯方式長大；過冷度大，連續(xù)長大；二維晶核長大在任何情況下，可能性都不大。7、 形核的首要條件是什么？形核的首要條件是系統(tǒng)必須處于亞穩(wěn)態(tài)提供相變驅動力；其次需要通過起伏作用克服能障才能形成穩(wěn)定存在的晶核并確保其進一步生長。8、 為什么自發(fā)形核的臨界形核功等于形成臨界形核表面能的1/3？見P939、 均質形核機制必須具備哪些條件？冷液體中存在相起伏，以提供固相晶核的晶胚。形核導致

18、體積自由能降低，界面自由能提高。為此，晶胚需要體積達到一定尺寸才能穩(wěn)定存在。過冷液體中存在能量起伏和溫度起伏，以提供臨界形核功。為維持形核功，需要一定的過冷度10、 即三個基本條件：過冷度，能量起伏，結構起伏。為什么過冷度是液態(tài)金屬凝固的驅動力？等壓條件下，體系自由能隨溫度升高而降低，且液態(tài)金屬自由能隨溫度降低的趨勢大于固態(tài)金屬。在熔點附近凝固時，熱焓和熵值隨溫度的變化可忽略不計，則有相變驅動力：過冷度TT-Tm為金屬凝固的驅動力，過冷度越大，凝固驅動力越大；金屬不可能在TTm時凝固。11、 為什么說異質形核比均質形核容易？影響異質形核的基本因素和其他條件是什么？（1） 因為均質形核在其形核過程中為克服過程中的能障，所需要的過冷度是很大的，而實際金屬凝固過程中的過冷度遠小于此，所以較難發(fā)生；對異質形核而言，液態(tài)金屬中存在一些微小的固相雜質質點，并且液態(tài)金屬在凝固時還和型壁相接觸，于是晶核就可以優(yōu)先依附于這些現(xiàn)成的固體表面形核，因此形核所需的過冷度大大降低，所以異質形核比均質形核更容易。12、 界面共格對應原則的實質是什么？增大固、液兩相界面附著力，減小異質形核的形核功，使固相質點成為異質形核的有效襯底。13、 成分過冷的判據式（有過冷/無過冷）無成分過冷判據式