金属凝固原理复习思考题-2011.pdf

金属凝固过程及组织控制

凝固过程模型的作用。(1)物理模型和数学模型可以定性和定量的描述凝固现象。(2)通

过电子计算机数值模拟对凝固过程的研究，有效的控制凝固过程，保证铸件的质量。

为什么说液态金属的结构更接近固态而非气态。(1)能量角度：以面心立方结构其汽化

潜热比熔化潜热约大28倍。(2)液态与固态相比，其原子结合键的削弱是不大的。(3)

金属由固态转变为液态过程中熵的增值小，可以再次说明，在熔点附近金属的液态结

构与固态结构相差不会太大。

液态金属的微观结构有何特点。(1)液体金属原子以近程有序排列排列(2)有能量起伏现

象：由于液体中原子热运动的能量较大，每个原子在三维方向都有相邻的原子，经常

相互碰撞，交换能量。(3)存在结构起伏:液体中存在的能量起伏造成每个原子集团内具

有较大动能的原子能克服邻近原子的束缚，(除了在集团内产生很强的热运动外)还能成

簇地脱离原有集团而加入到别的原子集团中，或组成新的原子集团。

液态金属的性质对铸件质量有何影响。

①粘度对铸坯质量的影响(1)对液态金属流动状态的影响：液态金属流动状态分为紊流

和层流。受粘度影响液态金属的流动阻力流动状态。而流动状态直接影响铸坯宏观质

量，如气孔等。(2)对液态金属对流的影响：运动粘度越大，对流强度越小。近期研究

表明，铸坯的宏观偏析主要受对流的影响。(3)对液态金属净化的影响：粘度越大，夹

杂物上浮速度越小，越容易滞留在铸坯中。

②表面张力对铸坯质量的影响(1)表面张力产生附加压力P=2σ/r，提高金属液中气体析

出的阻力。(2)表面张力产生附加压力P=2σ/r，影响金属液与铸型的相互作用。附加压

力为正值时(润湿)，铸坯表面光滑，但反映铸型型腔的能力较差。附加压力为负值时

(不润湿)，金属液能很好地反映铸型型腔，但是容易与铸型粘结(粘砂)，阻碍收缩，甚

至产生裂纹。

宽、窄结晶温度范围合金流动停止的机理和特点。

纯金属和窄结晶温度范围：(a)过热量未完全散失前为纯液态流动。(b)冷的前端在型壁

上凝固结壳。(c)后边的金属液在被加热的管道中流动，冷却强度下降。由于液流通过

I区终点时，尚有一定的过热度，将已经凝固的壳重新熔化，为第II区。所以，该区是

先形成凝固壳，又被完全熔化。第III区是末被完全熔化而保留下来的一部分固相区，

在该区的终点金属液耗尽了过热热量。在IV区，液相和固相具有相同的温度——结晶

温度。由于在该区的起点处结晶开始较早，断面上结晶完毕也较早，往往在它附近发

生堵塞。前端液态金属凝固收缩，形成吸力，产生喇叭状缩孔。

宽结晶温度范围合金：(a)有过热，纯液态流动。(b)温度低于液相线，析出晶体。析出

的晶体顺流前进，并不断长大。前端冷却快，晶粒粗大。(c)前端晶粒达到一定数量，

结成一个连续的网络，阻碍后边的液态金属流动，流动停止。所联成的网受到后面液

态金属向前的推力，造成前突特征。

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金属凝固过程及组织控制

临界生核半径和临界形核功的导出和意义。

dG2

为了保证结晶顺利进行必须满足条件：4rGV8r0

dr

LT

因为G式中L——熔化潜热；T——平衡结晶温度；ΔT——过冷度；

Vm

T

m

*2T*2

所以临界半径为：rm则临界生核功为：G4r，即

LT

*163T2

Gm

22

3LT

意义：均质生核机制必须具备以下条件：(1)过冷液体中存在相起伏，以提供固相晶核

的晶胚。(2)生核导致体积自由能降低，界面自由能提高。为此，晶胚需要体积达到一

定尺寸才能稳定存在。(3)过冷液