2020年 03月 27日 星期五

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金属学与热处理课后习题答案第二章

作者:永乐国际 来源:永乐国际 日期:2020-03-27 16:11 人气:

  金属学与热处理课后习题答案第二章_理学_高等教育_教育专区。第二章纯金属的结晶 2-1 a)试证明均匀形核时,形成临界晶粒的△Gk 与其体积 V 之间关系式为△ Gk=V△Gv/2 b)当非均匀形核形成球冠状晶核时,其△Gk 与 V 之间的关系如何? 答:

  第二章纯金属的结晶 2-1 a)试证明均匀形核时,形成临界晶粒的△Gk 与其体积 V 之间关系式为△ Gk=V△Gv/2 b)当非均匀形核形成球冠状晶核时,其△Gk 与 V 之间的关系如何? 答: 2-2 如果临界晶核是边长为 a 的正方体,试求出△Gk 和 a 之间的关系。为什么 形成立方体晶核的△Gk 比球形晶核要大。 答: 2-3 为什么金属结晶时一定要由过冷度?影响过冷度的因素是什么?固态金属 熔化时是否会出现过热?为什么? 答: 金属结晶时需过冷的原因: 如图所示, 液态金属和固态金属的吉布斯能随温度的增高而降低,由于液态 金属原子排列混乱程度比固态高,也就是熵值比固态高,所以液相能下降的 比固态快。当两线相交于 Tm 温度时,即 Gs=Gl,表示固相和液相具有相同的稳 定性,可以同时存在。所以如果液态金属要结晶,必须在 Tm 温度以下某一温度 Tn,才能使 Gs<Gl,也就是在过冷的情况下才可自发地发生结晶。把 Tm-Tn 的 差值称为液态金属的过冷度 影响过冷度的因素: 金属材质不同,过冷度大小不同;金属纯度越高,则过冷度越大;当材质和纯度 一定时,冷却速度越大,则过冷度越大,实际结晶温度越低。 固态金属熔化时是否会出现过热及原因: 会。原因:与液态金属结晶需要过冷的原因相似,只有在过热的情况下,Gl< Gs,固态金属才会发生自发地熔化。 2-4 试比较均匀形核和非均匀形核的异同点。 答: 相同点: 1、形核驱动力都是体积能的下降,形核阻力都是表面能的增加。 2、具有相同的临界形核半径。 3、所需形核功都等于所增加表面能的 1/3。 不同点: 1、非均匀形核的△Gk 小于等于均匀形核的△Gk,随晶核与基体的润湿角的变 化而变化。 2、非均匀形核所需要的临界过冷度小于等于均匀形核的临界过冷度。 3、两者对形核率的影响因素不同。非均匀形核的形核率除了受过冷度和温度的 影响,还受固态杂质结构、数量、形貌及其他一些物理因素的影响。 2-5 说明晶体生长形状与温度梯度的关系。 答: 液相中的温度梯度分为: 正温度梯度:指液相中的温度随至固液界面距离的增加而提高的温度分布情况。 负温度梯度:指液相中的温度随至固液界面距离的增加而降低的温度分布情况。 固液界面的微观结构分为: 光滑界面:从原子尺度看,界面是光滑的,液固两相被截然分开。在金相显微镜 下,由曲折的若干小平面组成。 粗糙界面: 从原子尺度看, 界面高低不平, 并存在着几个原子间距厚度的过渡层, 在过渡层中,液固两相原子相互交错分布。在金相显微镜下,这类界 面是平直的。 晶体生长形状与温度梯度关系: 1、在正温度梯度下:结晶潜热只能通过已结晶的固相和型壁散失。 光滑界面的晶体,其显微界面-晶体学小平面与熔点等温面成一定角度,这种情 况有利于形成规则几何形状的晶体,固液界面通常呈锯齿状。 粗糙界面的晶体,其显微界面平行于熔点等温面,与散热方向垂直,所以晶体长 大只能随着液体冷却而均匀一致地向液相推移,呈平面长大方式,固液界面始终 保持近似地平面。 2、在负温度梯度下: 具有光滑界面的晶体:如果杰克逊因子不太大,晶体则可能呈树枝状生长;当杰 克逊因子很大时, 即时在较大的负温度梯度下, 仍可能形成规则几何形状的晶体。 具有粗糙界面的晶体呈树枝状生长。 树枝晶生长过程: 固液界面前沿过冷度较大,如果界面的某一局部生长较快偶有 突出,此时则更加有利于此突出尖端向液体中的生长。在尖端的前方,结晶潜热 散失要比横向容易, 因而此尖端向前生长的速度要比横向长大的速度大,很块就 长成一个细长的晶体,称为主干。这些主干即为一次晶轴或一次晶枝。在主干形 成的同时, 主干与周围过冷液体的界面也是不稳的的,主干上同样会出现很多凸 出尖端,它们会长大成为新的枝晶,称为称为二次晶轴或二次晶枝。二次晶枝发 展到一定程度, 又会在它长出三次晶枝,如此不断地枝上生枝的方式称为树 枝状生长,所形成的具有树枝状骨架的晶体称为树枝晶,简称枝晶。 2-6 简述三晶区形成的原因及每个晶区的特点。 答: 三晶区的形成原因及各晶区特点: 一、表层细晶区 形成原因: 当高温金属液体与铸型接触后, 由于型壁强烈的吸热和散热作用,使靠近型壁的 薄层金属液体产生极大的过冷度,加上型壁可以作为非均匀形核的基底,因此在 此薄层金属液体中产生大量的晶核,并同时向各个方向生长。由于晶核数目多, 相邻的晶粒很快彼此相遇,相互阻碍,不能继续生长,这样便在靠近型壁处形成 一层很薄的细小等轴晶区,又称激冷等轴晶区。 晶区特点: 该晶区晶粒十分细小,组织致密,力学性能好,但厚度较薄,只有几个毫米厚。 二、柱状晶区 形成原因: 在表层细晶区形成的同时, 一方面型壁的温度被高温金属液体和细晶区所的 结晶潜热加热而迅速升高, 另一方面由于金属凝固后的收缩,使细晶区和型壁脱 离, 形成一层空气层, 以上都给液体金属的散热造成困难, 使液体金属冷却减慢, 温度梯度变得平缓。此时,固液界面前沿过冷度减小,无法满足形核的条件,不 能形成新的晶核, 结晶只能依靠靠近液相的某些小晶粒继续长大来进行,由于垂 直于型壁的方向散热最快, 因此晶体沿其反方向择优生长,晶体在向液体中生长 的同时,侧面受到彼此的而不能生长,因此只能沿散热方向的反方向生长, 从而形成柱状晶区。 晶区特点: 1、生长方向相同的柱状晶晶粒彼此间的界面比较平直,组织比较致密。 2、柱状晶存在明显的弱面。当沿不同方向生长的柱状晶相遇时,会形成柱状晶 界,此处杂质、气泡、缩孔聚集,力学性能较弱。 3、力学性能呈方向性。 三、中心等轴晶 形成原因: 随着柱状晶的发展, 经过散热, 铸型中心部位的液态金属的温度全部降到熔点以 下,再加上液态金属中杂质等因素的作用,满足了形核对过冷度的要求,于是在 整个液态金属中同时形核。 由于此时散热已经失去方向性,晶核在液体中可以自 由生长,且在各个方向上的长大速度相近,当晶体长大至彼此相遇时,全部液态 金属凝固完毕,即形成明显的中心等轴区。 晶区特点: 1、此晶区晶粒长大时彼此交叉,枝叉间的搭接牢固,裂纹不易扩展。 2、该晶区晶粒较大,树枝晶发达,因此显微缩孔较多,力学性能较差。 2-7 为了得到发达的柱状晶区应该采取什么措施?为了得到发达的等轴晶区应 该采取什么措施?其基本原理如何? 答: 得到柱状晶区的措施及其原理: 1、提高液态金属过热度。增大固液界面前沿液态金属的温度梯度,有利于增大 柱状晶区。 2、选择散热能力好的铸型材料或增加铸型的厚度,增强铸型的冷却能力。增大 已结晶固体的温度梯度,使固液界面前沿液态金属始终保持着定向散热,有 利于增加柱状晶区。 3、提高浇注速度,增大固液界面前沿液态金属的温度梯度。 4、提高熔化温度。减少非金属夹杂物数量,非均匀形核数目少,减少了在固液 界面前沿形核的可能性。 得到等轴晶区的措施及其原理: 1、降低液态金属过热度。减小固液界面前沿液态金属的温度梯度,有利于缩小 柱状晶区,增大中心等轴晶区。 2、选择散热能力一般的铸型,降低铸型的冷却速度。减弱已结晶固体的温度梯 度, 减弱液态金属定向散热的趋势, 可以缩小柱状晶区, 增大中心等轴晶区。 3、降低熔化温度。增加液态金属中废金属夹杂物的数目,非均匀形核数目多, 增加了在固液界面前沿形核的可能性 4、降低浇注速度,可以降低固液界面前沿液态金属的温度梯度。 2-8 指出下列错误之处,并改正之。 1)所谓临界晶核,就是体积能的减少完全补偿表面能增加时的晶胚 大小。 2)在液态金属中,凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能形核,但是只 要有足够的能量起伏提供形核功,还是可以形核。 3)无论温度分布如何,常用纯金属都是树枝状方式生长。 答: 1)所谓临界晶核,就是体积能的减少补偿 2/3 表面能增加时的晶胚大 小。 2)在液态金属中,凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能形核。 3)在负的温度梯度时,具有粗糙固液界面的纯金属晶体以树枝状方式生长;具 有光滑界面的晶体在杰克逊因子很大时,仍有可能生长为具有规则几何形状 的晶体。



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