1、第 1 章 液态金属的结构与性质1.液体原子的分布特征为 无序、 有序，即液态金属原子团的结构更类似于 。2.实际液态金属内部存在 起伏、 起伏和 起伏 。3.物质表面张力的大小与其内部质点间结合力大小成 比，界面张力的大小与界面两侧质点间结合力大小成 比。衡量界面张力大小的标志是润湿角 的大小，润湿角 越小，说明界面能越 。4.界面张力的大小可以用润湿角来衡量，两种物质原子间的结合力 ，就润湿，润湿角 ；而两种物质原子间的结合力 ，就不润湿，润湿角 。5.影响液态金属表面张力的主要因素是 ， ，和 。6.钢液中的 MnO，当钢液的温度为 1550时，3/049msN，81.7g液，对于 r=
2、0.0001m3/5杂的球形杂质，其上浮速度是多少？参考答案：0.0071m/s7.影响液态金属充型能力的因素可归纳为 合金本身性质 、 铸型性质 、 浇注方面 、 铸件结构方面 四个方面的因素。8.影响液态金属黏度的因素有 合金成分 、 温度 、 非金属夹杂物 。9.合金流动性：合金本身的流动能力；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。10.液态合金的流动性和充型能力有何异同？如何提高液态金属的充型能力？答：液态金属的流动性和充型能力都是影响成形产品质量的因素；不同点：流动性是确定条件下的充型能力，它是液态金属本身的流动能力，由液态合金的成分、温度、杂质含量决定
3、，与外界因素无关。而充型能力首先取决于流动性，同时又与铸件结构、浇注条件及铸型等条件有关。提高液态金属的充型能力的措施：（1）金属性质方面：改善合金成分；结晶潜热 L 要大；比热、密度大，导热率小;粘度、表面张力小。（2）铸型性质方面：蓄热系数小；适当提高铸型温度；提高透气性。（3）浇注条件方面：提高浇注温度；提高浇注压力。（4）铸件结构方面：在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度；降低结构复杂程度。11.设凝固后期枝晶间液体相互隔绝，液膜两侧晶粒的拉应力为1.510 3Mpa，液膜厚度为1.110 -6mm，根据液膜理论计算产生热裂的液态金属临界表面张力 = 0.825 N/m。12.表面张力
4、：表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。13.粘度表达式： ，雷诺数：dyvxDRe第 2 章 凝固温度场1.铸件的凝固方式可以分为 、 和 三种不同形式，影响合金凝固方式的两个主要因素是： 和 。2.合金的凝固温度区间越大，液态合金充型过程中流动性越 差 ，铸件越容易呈 体积（或糊状） 凝固方式。3.研究铸件温度场的方法有数学解析法 、 数值模拟法和 实测法 等。4. “平方根定律”公式为 ，写出公式2K中三个符号所代表的含义 ：凝固时间 、 ：凝固层厚度 、 K:凝固系数 5.比较同样体积大小的球状、块状、板状及杆状铸件凝固时间的长短。解：一般在体积相同的情况下上述物体的表面积大
5、小依次为：A 球t 块t 板 t 杆。6.右图为一灰铸铁底座铸件的断面形状，其厚度为30mm，利用“模数法” 分析砂型铸造时底座的最后凝固部位，并估计凝固终了时间.解：将底座分割成 A、B、C、D 四类规则几何体（见右下图）查表 2-3 得：K=0.72( )minc/对 A 有：RA= VA AA=1.23cmA=RA KA=2.9min对 B 有: RB= VBAB=1.33cmB=RBKB=3.4min对 C 有：RC= VCAC=1.2cmC=RCKC=2.57min对 D 有：RD= VD AD=1.26cmD=RD KD=3.06min因此最后凝固部位为底座中肋 B 处，凝固终了时
6、间为 3.4 分钟。* 1000* 160* 160* 600* 120A AA ABBC CCCDDD7.写出平方根定律和折算厚度法则的公式，并解释两个公式的差别。1000160 160600120答：1）平方根定律： 即 ；2K折算厚度法则： R2） 代表铸件凝固层厚度，适应薄板类铸件；为折算厚度,可适用各种形状的铸件。SV8. 影响铸件凝固方式的因素是什么？凝固方式与铸造性能和铸件质量之间有什么关系？ 答：1)影响铸件凝固方式的因素:结晶温度范围和温度梯度；2)a 逐层凝固：集中缩孔大，易补缩，铸件较致密；热裂倾向小；流动性好。所以，铸件质量好。b 体积凝固：不易补缩，易形成缩孔；流动性
7、差；热裂倾向大；铸件不致密，性能较差。c 中间凝固：介于以上两者之间第 3 章 金属凝固热力学与动力学1金属结晶形核时，系统自由能变化G 由两部分组成，其中相变驱动力为 ，相变阻力为 。2.非均质形核过程，晶体与杂质基底的润湿角 越小，非均质形核功 越 ，形核率越 *he；非均质形核临界半径 与均质形核的关系为 r。 *hor3.为什么金属必须要有一过冷度才能发生液-固相变？4什么是溶质平衡分配系数？设状态图中液相线和固相线为直线，证明其 k0 为常数。特定温度 下固相合金成分浓度 与液相合金*T*sC成分浓度 达到平衡时的比值LC0LS如上图：液相线：T *Tm (Cl*-0) Lm固相线：
8、T *Tm (Cs*-0) S得： 1 LC即 k 0*LSCm5.名词解释1）非均质形核与均质形核答：非均质形核：液态金属中新相以外来质点为基底进行形核的方式。 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，所以也称“自发形核” 。 2）粗糙界面与光滑界面 答：粗糙界面：a2，固液界面上有一半点阵位置被原子占据，另一半位置则空着，微观上是粗糙的；光滑界面：a2，界面上的位置几乎被原子占据，微观上是光滑的。 3）粗糙界面与光滑界面及其判据答：固液界面固相一侧的点阵位置有一半左右被固相原子所占据，形成凸凹不平的界面结构，称为粗糙界面；固液界面固相一侧的点阵位置几乎全
9、被固相原子所占据，只留下少数空位或台阶，称为光滑界面。根据jachson因子（ ）大小可以mkTH判断： 2的物质，凝固时固-液界面为粗糙面， 5的物质，凝固时界面为光滑面， 6.液态金属（合金）凝固的驱动力由 提供，而凝固时的形核方式有 、 两种。7.对于溶质平衡分配系数K 01时， K0越大，最终凝固组织的成分偏析越 。常将1- K0称为 。 8.设理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)求均质形核时的a* 和G*的关系式。(2)证明在相同过冷度下均质形核时，球形晶核较立方形晶核更易形成。THVamsLS4* 23*)(TVGmsLS方 HrmsLS*3(16s球 1
10、6*方球9.设 Ni 的最大过冷度为 319，已知 Tm1453,Hm1870J/mol，LS=2.2510-5J/cm2,摩尔体积为 Vs=6.6cm3.求G*均和 r*均参考答案：r*均=8.59*109 m G*均=6.95*1017 J 10.晶体长大时，有三种长大方式，长大速度按顺序依次为： 连续 、 缺陷 、和 二维形核 。金属从其自身熔体中结晶，一般以 连续 方式长大。11.为什么均质生核和非均质生核的临界晶核半径相同，而临界生核功不同？答：临界晶核半径的含义：当晶核达到此半径时，如液相原子向此堆砌生长，造成的表面能的增加比体积自由能的下降小，即自由能下降，此时，晶体生长是稳定的
11、，所以晶核能逐渐长大。如是均质生核，临界晶核是近似球形，其所包含的原子数较多，所需要的能量起伏较大，即生核功较大；如是非均质生核，临界晶核的大小与润湿角有关，同样的晶核半径时，当晶体与衬底的润湿角越小，晶核所包含的原子个数越少，因此所需的形核功越小。所以，虽然均质生核和非均质生核的临界晶核半径相同，而临界生核功不同。12.从原子尺度看，固液界面结构有哪几种？它们与生长机理有何联系？ 答：有两种固液界面结构：平整界面和粗糙界面平整界面的生长机理：a.理想的平整界面依靠平整界面上生产二维晶核，然后在晶核周围的台阶上生长；b.当界面上有缺陷时，可依靠螺旋位错、旋转孪晶、反射孪晶等缺陷提供的台阶生长。
12、粗糙界面由于液相原子堆砌而被弹回的几率很小，因此生长速度较大，此时称为连续生长或正常生长。14. 随颗粒尺寸的减小，金属的熔点会下降，其原因是什么？这种效应通常在什么尺寸量级才会明显地表现出来？参考：表面能（张力）作用突显，纳米， msrHkTV2第 4 章 单相及多相合金的结晶1.根据成份过冷理论的分析，由于过冷程度的不同就会使焊缝组织出现不同的结晶形态，主要有平面结晶 、胞状结晶 、胞状树枝结晶 、树枝状结晶 和等轴结晶 。2.根据界面结构的不同，可将共晶合金分为两大类 非小面-小面 和 非小面-非小面 3.用图形表示K01的合金铸件单向凝固时，在以下四种凝固条件下所形成的铸件中溶质元素的
13、分布曲线： （1） 平衡凝固；（2） 固相中无扩散而液相中完全混合； （3） 固相中无扩散而液相中只有扩散；（4） 固相中无扩散而液相中部分混合。 答：几种条件下的溶质分布如图所示：4. 内生生长和外生生长 凝固自型壁行核，由外向内的生长称为外生生长，如柱状晶，胞状晶的生长； 在熔体内部形核，由内向外的自由生长称为内生生长，如等轴晶的生长。5. 共生生长和离异生长 共生生长：共晶结晶时，两相相互依附，借助于对方析出的多余原子的横向扩散而同步偶合生长的方式。 离异生长：共晶的两相间没有共同生长的界面，析出和生长在时间上与空间上都相互独立的生长方式。6.共晶组织生长中，共晶两相通过原子的 横向扩散
14、不断排走界面前沿积累的溶质，且又互相提供生长所需的组元彼此合作，并排地快速向前生长，这种共晶生长方式称为 共生生长。 7. 固相无扩散、液相只有扩散情况下产身成分过冷的判据及影响成分过冷的因素，说明成分过冷对结晶形貌的影响？答：成分过冷判据：影响成分过冷的因素：液相中温度梯度 GL 越小，成分过冷越大；生长速度 R 越大，成分过冷越大；液相线斜率 mL 越大，成分过冷越大；合金原始成分 C0 越大，成分过冷越大； 扩散系数 DL 越小，成分过冷越大；分配系数 K0 越小，成分过冷越大。成分过冷对结晶形貌的影响：当 C0 一定时，随着GL 减小，或 R 增大时，晶体形貌由平面晶依次发展为胞状树枝
15、晶、柱状树枝晶、等轴树枝晶；而当 GL、R 一定时，随 C0 的增加，晶体形貌也同样由平面晶依次发展为胞状树枝晶、柱状树枝晶、等轴树枝晶。 8简述晶体生长形貌随成分过冷大小变化的规律。参考：随“成分过冷”程度的增大，固溶体生长方式由无“成分过冷”时的“平面晶”依次发展为：胞状晶柱状树枝晶内部等轴晶。9.Al-Cu 相图的主要参数为CE33%Cu, =5.65, Tm660,T E548。sm用 Al1Cu 合金浇一细长试样，使其从左至右单向凝固，冷却速度足以保持固液界面为平界 面，当固相无 Cu 扩散，液相中 Cu 充分混合时，求：(1)凝固 10时，固液界面的 CS*和 CL*。(2)共晶体
16、所占的比例。答：（1）溶质分配系数 k0 = =LSCEsm=0.171%365.当 10时，有 sf *C100)( ksf0.1877.17. 1.09*L10kf0*S.8（2）设共晶体所占的比例为 ，则Lf *LC10kfE则 0.0147）（ 17.0)%3(10.何谓热过冷和成分过冷？成分过冷的本质是什么？答：金属凝固时，完全由热扩散控制，这样的过冷称为热过冷；由固液界面前方溶质再分配引起的过冷称为成分过冷。成分过冷的本质：由于固液界面前方溶质富集而引起溶质再分配，界面处溶质含量最高，离界面越远，溶质含量越低。由结晶相图可知，固液界面前方理论凝固温度降低，实际温度和理论凝固温度之间
17、就产生了一个附加温度差T，即成分过冷度，这也是凝固的动力。11.影响成分过冷的因素有哪些？哪些是属于可控制的工艺因素？成分过冷对晶体的生长方式有何影响？晶体的生长方式只受成分过冷的影响吗？答：影响成分过冷的因素有G、v、D L、m、k 0、C 0，可控制的工艺因素为 DL。过冷对晶体的生长方式的影响：当稍有成分过冷时为胞状生长，随着成分过冷的增大，晶体由胞状晶变为柱状晶、柱状树枝晶和自由树枝晶，无成分过冷时，以平面方式或树枝晶方式生长。晶体的生长方式除受成分过冷影响外，还受热过冷的影响。12.影响成分过冷范围的因素有哪些？它对材质或成形产品（铸件）的质量有何影响？答：影响成分过冷范围的因素有：
18、成分过冷的条件为 8.26 s由 壁 厚 36mm可 知 钢 板 为 厚 板所 以 冷 却 时 间 随 着 线 能 量 E和 初 始 温 度 T0的 提 高 而 延58t长 ， 焊 接 方 式 和 材 料 确 定 ， 则 线 能量 E确 定 ， 主 要 是 通 过 提 高 初 始 温 度 即 预 热 温 度 来 降低 冷 却 速 度 ， 延 长 时 间 大 于 8.26s。 从 而 降 低 Hmax. 58t第 11 章 凝固缺陷及控制1.铸造应力按产生的原因分为： 热应力 、 相变应力 、 机械阻碍应力 。2.液膜理论认为， 液膜 是产生热裂纹的根本原因，而 收缩受阻 是产生热裂纹的必要条件
19、。3.微观偏析的两种主要类型为 晶内偏析与晶界偏析 ，宏观偏析按由凝固断面表面到内部的成分分布，有 正常偏析与逆偏析 两类。4. 夹杂物的形状越近似 球状 ，对金属基体力学性能的影响越小；夹杂物越细小而 分散 ，且分布在 晶内 ，其危害越小。5. 存在于铸件中的气体主要有 固溶体 、 化合物 、 气态 三种状态。6. 根据被焊钢种和结构的不同，冷裂纹可分为 延迟裂纹 、 淬硬脆化裂纹 和 低塑性脆化裂纹三种。7. 金属中的气孔按气体来源不同可分为 析出性气孔、 反应性气孔和 侵入性气孔。8. 对于圆柱形铸件，凝固后冷却到室温时，内部存在残余 拉 应力，外部存在残余 压 应力。9. 钢材产生焊接
20、冷裂纹的主要因素有钢种的淬硬倾向 、焊接接头的应力状态 、熔敷金属中扩散氢的含量。10.一般低合金钢焊接，延迟裂纹的出现主要与哪些因素有关？为什么具有延迟现象？采取何种冶金措施加以防止？1）影响延迟裂纹产生的因素：材料的淬硬倾向，焊接接头的应力状态，熔敷金属中扩散氢的含量。2）具有延迟现象的原因：氢在金属中的扩散过程中，遇到显微缺陷而聚集，聚集后原子结合为分子形成一定的应力。在应力作用下，显微缺陷处出现微裂纹，氢在进一步扩散又使微裂纹扩展为裂纹。由于氢的扩散、聚集并达到临界浓度都需要时间，这样形成的裂纹都具有延迟特性。3）冶金措施：改进母材的化学成分；严格控制氢的来源；适当提高焊缝金属的韧性；
21、选用低氢的焊接材料和焊接方法。11.说明下图中 TB、Pmin的意义及其对结晶裂纹的影响，碳、锰对碳钢结晶裂纹的影响规律。 TB：脆性温度区间，材料易发生脆性断裂的温度区间。TB 越大，形成结晶裂纹倾向越大。Pmin：脆性温度区间内金属的最小塑性。TB 一定时，其内 Pmin 越小，结晶裂纹形成倾向越大。 碳：碳能显著增大钢的凝固温度区间，从而使TB 增大，增加结晶裂纹的倾向。碳还能增加 0058 T81EtS，P 的有害作用.锰：锰具有脱硫作用而减少硫的有害作用，从而抑制结晶裂纹的倾向。但是锰能增加凝固温度区间，增加热裂倾向。12.为什么采用碱性焊条施焊时，其热裂纹的形成倾向显著低于使用酸性
22、焊条？根据熔渣脱硫原理，由于碱性焊条施焊时，熔渣中的CaO等碱性氧化物比酸性焊条熔渣中的含量高且碱性熔渣的氧化性较弱，因此脱硫效果较好。但由于脱磷不仅需要高碱度的熔渣，而且希望熔渣具有强氧化性，因此碱性焊条与酸性焊条的脱磷效果都不理想。酸性焊条施焊时由于熔池中含有较多的硫化物FeS，凝固时容易发生偏析，形成低熔点共晶，呈片状或链状分布于晶界，因此焊接热裂纹倾向显著高于碱性焊条。13.说明凝固热裂纹的形成取决于哪几个方面，进而分析凝固温度区间、钢的成分(只对S、P、C、Mn)对钢凝固热裂纹的影响规律及其原因。答：凝固热裂纹的形成主要取决于： （1） 脆性温度区间；TB，TB 越大，热裂纹倾向越大
23、； （2） 脆性温度区间内金属的最低塑性min，min 越低，热裂纹倾向越大； （3） 脆性温度区间内的应变增长率，应变增长率越大热裂纹倾向越大； 凝固温度区间越大，凝固成分偏析越严重，TB 越大，因此，热裂纹倾向越大。 化学成分对热裂裂纹倾向的影响： S、P 的影响：S、P 在钢中形成低熔点共晶体，如FeS，Fe3P、Fe2P 等，在最后凝固的晶界处形成液膜，从而增加热裂纹倾向；C 的影响：随着含 C 量增加，钢的凝固温度区间增大，即 TB 越大因此增加热裂纹倾向，同时 C 还加剧 S、P 的有害作用； Mn 的影响：Mn 在钢中具有脱 S 作用而减小 S 的有害影响，减小热裂纹倾向，但也加
24、大凝固温度区间14.缩孔缩松 答：缩孔：纯金属或共晶合金铸件中最后凝固部位形成的大而集中的孔洞；缩松：具有宽结晶温度范围的合金铸件凝固中形成的细小而分散的缩孔。15. 宏观偏析和微观偏析 凝固件断面上可观察到的区域溶质偏聚现象称为宏观偏析； 在一个晶粒内部或晶界上存在的溶质偏聚现象称为微观偏析。16. 冷裂纹和热裂纹 金属凝固冷却至室温附近发生的开裂现象称之为冷裂纹； 在固相线附近发生的裂纹称之为热裂纹。17.影响凝固裂纹产生的因素主要有 合金元素或成分 、 晶间易熔物质数量及其形态、一次结晶组织及其形态 以及 工艺因素 等。18.简述凝固裂纹的形成机理。 答：具有宽结晶温度范围的合金，以枝晶凝固方式，在凝固后期，枝晶形成骨架，即固液态下，尚未凝固的低熔点成分分布于枝晶之间，形成液膜，在收缩应力作用下，液膜被拉开形成微小缝隙，即热裂纹。
