金属凝固原理

材料学院研究生会学术部1材料学院研究生会学术部2010年11月材料学院研究生会学术部2金属凝固原理复习资料目录2010年复习资料…………………………………3-52007年复习资料…………………………………6-82005年复习资料…………………………………9-102004年复习资料…………………………………11-14材料学院研究生会学术部32010年金属凝固原理复习重点一、（15分）如图所示，Pb-Bi(WBi=20%)合金，在无固相扩散的条件下，试计算凝固后的共晶量。解：第一阶段，非平衡凝固冷却至184℃，无固相扩散α=0，根据公式4-8：Cs*=k0C0(1-fs)（k0-1）其中k0=23/36=0.639，Cs*=23%，C0=20%带入得fs=0.8剩余液相1-fs=0.2第二阶段，发生包晶反应，先算k0’，延长线段L1、L2交于一点A，求A（X,Y）36-X184-Y=3656184125①33-X184-Y=33-4284-125②联立两方程解得：X=30.545，Y=200.090故k0’=45.53056545.3042=0.45，将k0’=0.45，Cs*=42%-30.545%=11.455%，C0=36%-30.545%=5.455%,带入公式4-8可求得fs’=0.9392剩余液相1-fs’=0.0608凝固后的共晶量为0.0608×0.2=0.01216≈0.01二、试述金属凝固方式，影响因素及其对铸件质量的影响。答：金属凝固方式分为三种：当时，凝固趋向于逐层凝固，当1tt时，凝固趋向于体积凝固，二者之间，趋向于中间凝固。t为结晶温度间隔，t为结晶开始温度与铸件表面温度差。影响因素：结晶温度范围越小，温度梯度越大，凝固区域越窄，越趋向与逐层凝固。反之，结晶温度范围越大，温度梯度越小，凝固区域越宽，越趋向与体积凝固。对铸件质量的影响：（1）逐层凝固具有良好的充填和补缩条件，产生分散性缩孔的倾向性很小，而是在最后凝固部位形成集中缩孔。如果合理设置冒口，可使缩孔移入冒口，而且在凝固过程中收缩产生的晶间裂纹容易得到金属液补充，使裂纹愈合，故热裂倾向小。（2）体积凝固方式，补缩条件差，形成分散性缩孔，等轴晶粗大，热裂倾向大。（3）中间凝固方式的补缩特性，热裂倾向，充型性能均介于前两者之间。三、热裂产生机理：热裂形成的机理主要有液膜理论和强度理论。1、液膜理论液膜理论认为，热裂纹的形成是由于铸件在凝固末期晶间存在液膜和铸件在凝固过程中受拉应力共同作用的结果。液膜是产生热裂纹的根本原因，而铸件收缩受阻是产生热裂纹的必要条件。2、强度理论材料学院研究生会学术部4强度理论认为，合金存在热脆区和在热脆区内合金的断裂应变低是产生热裂纹的重要原因，而铸件的集中变形是产生热裂纹的必要条件。防止途径：根据以上讨论可知，凡是能够减小热裂倾向性的因素均可据以制定出防止铸件产生热裂的措施。1、合金成分、熔炼工艺(1)在不影响铸件使用性能的前提下，可适当调整合金的化学成分，或选择热裂倾向性较小的合金。(2)减小合金中的有害杂质。应尽可能地降低钢中硫、磷的含量。(3)改善合金的脱氧工艺，提高脱氧效果。(4)细化初晶组织，对合金进行孕育处理以细化晶粒，消除柱状晶。2、铸型方面(1)改善砂型和砂芯的溃散性。采用粘土砂时，可加入些木屑，以湿砂型代替干砂型，采用薄壁空心型芯或在型芯内加入松散材料(如碎焦炭、草绳等)；减小芯骨和箱档可能引起的阻碍；舂砂不应过硬。(2)采用涂料使型腔表面光滑以减小铸件和铸型之间的摩擦阻力3、浇注条件方面(1)减小浇冒口系统对铸件收缩的机械阻碍(2)减少铸件各部分温差。(3)用冷铁消除热节的有害作用。4、铸件结构方面(1)两壁相交处应做成圆角；(2)避免两壁十字交叉，将交叉的壁错开；(3)必须在铸件上采用不等厚度截面时，应尽可能使铸件各部分收缩时彼此不发生阻碍。(4)在铸件易产生热裂处设置防裂筋。总之，影响热裂产生的因素很多，它们又是错综复杂的，必须根据具体情况进行分析，找出其中的主要矛盾，采取适当措施，才能有效地防止和消除铸件产生热裂。四、说明缩孔缩松的形成原因及预防措施。答：铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞，称为缩孔。容积大而集中的孔洞称为集中缩孔，简称缩孔；细小而分散的孔洞成为分散性缩孔，简称为缩松。预防措施：防止铸件中产生缩孔和缩松的基本原则使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，尽可能地使缩松转化为缩孔，并使缩孔出现在铸件最后凝固的地方。这样在铸件最后凝固的地方安置一定尺寸的冒口，使缩孔集中于冒口中，或者把浇口开在最后凝固的地方直接补缩，既可获得健全的铸件。五、凝固区间结构特征Ⅰ区（从液相边界到倾出边界）。这个区的特征为固相处于悬浮状态而未连成一片，液相可以自由移动，用倾出法做试验时，固体能够随液态金属一起被倾出。Ⅱ区（从倾出边界到补缩边界），这个区的特征为固相已经连成骨架，但液相还能在固相骨架间自由移动，这时某材料学院研究生会学术部5一部位的体积收缩能够得到其它部位液体的补充，而不至于产生缩孔或缩松。Ⅲ区（从补缩边界到固相边界）这个区的特征为固相不但连成骨架而且已经充分长大，存在于固相间隙中的少量液体被分割成一个个互不沟通的小“溶池”。这时液体再发生凝固收缩，不能得到其它液体的补缩。根据以上的分析可以看出，对铸坯质量影响最大的是Ⅲ区的宽度。可以推断凝固区域越宽，则Ⅲ区的宽度也就越宽。材料学院研究生会学术部62007年金属凝固原理复习题8.说明典型条件下的溶质再分配规律，熟悉相关条件下的成分过冷判别式，并能够利用这些判别式进行相关计算。答：（1）液相完全混合的溶质再分配，00112000112skksfCkCk（2）液相中有对流作用的溶质再分配，0000(1)NLsvEDCkkCkke（3）液相中只有扩散的溶质再分配，最初过渡区：00011expsLvxkCCkD成分过冷判别式：液相中只有扩散没有对流的情况：0001LLLvmCkGkD通用式：00011NLLLvLvDGmCkDek11说明共晶合金的生核生长特点，规则共晶和非规则共晶的区别。答：规则共晶是指金属－金属共晶的凝固多数的金属－金属共晶其长大速度在四周各个方向上是均匀的，它具有球形长大的前沿，而在共晶组织内部两相之间却是层片状的。球的中心有一个核心，它是两相中的一相，起着一个共晶结晶核心的作用。共晶中两相交替成长，并不意味着每一片都要单独形核，其长大过程是靠搭桥的办法使同类相的层片进行增殖，这样就可以由一个晶核长出整整一个共晶团。非规则共晶是指金属－非金属共晶的凝固。金属－非金属共晶的型核与金属－金属共晶相似，但由于金属－非金属共晶两固相熔点一般来说相差较大，所以其共晶共生区偏向于高熔点一方也更突出，一直到进入共生区后，两相才开始“合作长大”。因此，在这类共晶中经常出现（或称晕圈）组织。金属－非金属共晶凝固时，由于非金属只能在某些方向上长大，所以非金属晶体就会产生两种长大模型。第一种长大模型称为合作长大。按这种模型，当一个非金属晶体由于缺乏非金属原子的供应而停止长大时，它可以通过孪生或亚晶界将长大方向改变到非金属原子富集区，这样就产生了非金属晶体的分枝。当长大按照这种模型进行时，非金属内部是相连的。第二种长大模型称为重新形核长大，按照这种模型两个非金属晶体相对长大汇聚时，将导致一个或两个晶体长大的停止，而新的晶核将在非金属原子富集区重新形成，在这种情况下，非金属晶体将是不相连的。12熟悉包晶合金的非平衡凝固特点。答：在非平衡凝固时，由于溶质在固相中的扩散不能充分进行，包晶之前凝固出来的相内部成分是不均匀的，即树枝晶的心部溶质浓度较低，而树枝晶的边缘溶质浓度高，当温度到达pT时，在相的表面发生包晶反应。从形核功的角度看，相在相表面非均质形核要比在液相内部均质形核更为有利。因此，在包晶反应过程中，相很快被相包围，材料学院研究生会学术部7此时，液相与相脱离接触，包晶反应只能依靠溶质组元从液相一侧穿过相向相一侧进行扩散才能继续下去，因此将受到很大限制。多数具有包晶反应的合金，其溶质组元在固相中的扩散系数很小，因此在非平衡凝固条件下，包晶反应进行的是不完全的，由于溶质组元在固相中扩散的不充分，本来是单相组织却变成了多相组织。13如何由实验确定单相合金的动态凝固曲线？单相合金的凝固区间结构特点及其对缩孔缩松，热裂等铸造缺陷的影响。图4-6为凝固动态曲线，它是根据直接测量的温度—时间曲线绘制的。首先在图4-6a上给出合金的液相线和固相线温度，把二直线与温度—时间相交的各点分别标注在图4-6b的(x/R，τ)坐标系上，再将各点连接起来，即得凝固动态曲线。纵坐标x是铸件表面向中心方向的距离，R是铸件壁厚之半或圆柱体和球体的半径。由于凝固是从铸件壁两侧同时向中心进行，所以当x/R=1时表示已凝固至铸件中心。图4-6c为根据凝固动态曲线绘制的自测温度开始后2分20秒的凝固状况。根据凝固动态曲线可以获得任一时刻的凝固状态。14．凝固区间结构特征Ⅰ区（从液相边界到倾出边界）。这个区的特征为固相处于悬浮状态而未连成一片，液相可以自由移动，用倾出法做试验时，固体能够随液态金属一起被倾出。Ⅱ区（从倾出边界到补缩边界），这个区的特征为固相已经连成骨架，但液相还能在固相骨架间自由移动，这时某一部位的体积收缩能够得到其它材料学院研究生会学术部8部位液体的补充，而不至于产生缩孔或缩松。Ⅲ区（从补缩边界到固相边界）这个区的特征为固相不但连成骨架而且已经充分长大，存在于固相间隙中的少量液体被分割成一个个互不沟通的小“溶池”。这时液体再发生凝固收缩，不能得到其它液体的补缩。根据以上的分析可以看出，对铸坯质量影响最大的是Ⅲ区的宽度。可以推断凝固区域越宽，则Ⅲ区的宽度也就越宽。18说明缩孔缩松的形成原因及预防措施。答：铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞，称为缩孔。容积大而集中的孔洞称为集中缩孔，简称缩孔；细小而分散的孔洞成为分散性缩孔，简称为缩松。预防措施：防止铸件中产生缩孔和缩松的基本原则使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，尽可能地使缩松转化为缩孔，并使缩孔出现在铸件最后凝固的地方。这样在铸件最后凝固的地方安置一定尺寸的冒口，使缩孔集中于冒口中，或者把浇口开在最后凝固的地方直接补缩，既可获得健全的铸件。使铸件的凝固方向符合“顺序凝固原则”或“同时凝固原则”：1）顺序凝固用各种措施保证铸件结构上各部分，按照远离冒口的部分最先凝固，然后是靠近冒口部分，最后才是冒口本身凝固的次序进行，保证缩孔集中在冒口中，获得致密的铸件；2）同时凝固取工艺措施保证铸件结构上各部分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时凝固。在同时凝固条件下，没有补缩通道。不能简单地采用顺序凝固或同时凝固方式，而往往是采用复合的凝固方式19（应力框由杆I，杆Ⅱ以及横梁Ⅲ组成；开始冷却时，两杆具有相同的温度tL，最后又冷却到同一温度t0）瞬时应力的发展过程可分四个阶段加以说明，如图9-1d所示：第一阶段(τ0～τ1)：tⅡty,tⅠty。杆Ⅱ开始线收缩，而杆I仍处于凝固初期，枝晶骨架尚未形成。显然，此时铸件的变形由杆Ⅱ确定，杆Ⅱ带动杆I一起收缩。到τ1时，两杆具有同一长度，温差为ΔtH，铸件不产生应力。第二阶段(τ１～τ２)：tⅡty,tⅠty。杆Ⅱ要比杆I多收缩，但两杆彼此相连，始终具有相同长度，故杆Ⅱ被拉长，杆I被压缩。这样，在杆Ⅱ内产生材料学院研究生会学术部9拉应力，在杆I内则产生压应力。到τ２时两杆温差最大，应力达到极大值，该阶段为应力增长阶段。第三阶段(τ2～τ3)：两杆中的应力逐渐减小，到τ3时，铸件处于完全卸载状态。第四阶段(τ3～τ4)：杆I的冷却速度仍然比杆Ⅱ快，即杆I的自由线收缩速度大于杆Ⅱ。在此阶段，杆I被拉长，故产生拉应力，杆Ⅱ则相反，产生压应力。2005年金