金屬凝固原理復(fù)習(xí)大綱

金屬凝固原理復(fù)習(xí)大綱緒論1、凝固定義宏觀上：物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。微觀上：激烈運(yùn)動(dòng)的液體原子回復(fù)到規(guī)則排列的過程。液態(tài)金屬凝固的實(shí)質(zhì)：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(jié)構(gòu)特征：“近程有序”、“遠(yuǎn)程無序”組成：液態(tài)金屬是由游動(dòng)的原子團(tuán)、空穴或裂紋構(gòu)成液態(tài)金屬的性質(zhì)：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(nèi)摩擦力粘度的本質(zhì)上是原子間的結(jié)合力影響液體金屬粘度的主要因素是：化學(xué)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(diǎn)、溫度和溶質(zhì)元素。取決于質(zhì)點(diǎn)間的作用力4、液體結(jié)構(gòu)的特性：近程有序和遠(yuǎn)程無序晶體:凡是原子在空間呈規(guī)則的周期性重復(fù)排列的物質(zhì)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(zhì)在相界面上產(chǎn)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(zhuǎn)變稱為一次結(jié)晶金屬從一種固態(tài)過渡為另一種固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為二次結(jié)晶當(dāng)向溶液中加入某種溶質(zhì)后，使溶液表面自由能降低，并且表面層溶質(zhì)的濃度大于溶液內(nèi)部深度，則稱該溶質(zhì)為表面活性物質(zhì)（或表面活性劑），這樣的吸附稱為正吸附。反之，如果加入溶質(zhì)后，使溶液的表面自由能升高，并且表面層的溶質(zhì)濃度小于液體內(nèi)部的濃度，則稱該溶質(zhì)為非表面活性物質(zhì)（或非表面活性劑），這樣的吸附為負(fù)吸附凝固過程的傳熱1、凝固過程的傳熱特點(diǎn)：“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(gè)界面，即固－液相間界面和金屬－鑄型間界面。“三傳”指動(dòng)量傳輸、質(zhì)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(diǎn)：具有很高的導(dǎo)熱性能；非金屬型鑄造特點(diǎn)：與金屬相比具有非常小熱導(dǎo)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(dòng)力學(xué)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(xué)勢(shì)：某一組元的化學(xué)勢(shì)為1mol該組元物質(zhì)的吉布斯自由能，是1mol的恒溫等壓勢(shì)。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(zhì)平衡分配系數(shù)K0：恒溫下固相溶質(zhì)濃度CS與液相溶質(zhì)濃度CL達(dá)到平衡時(shí)的比值。K0=CS/CL=mL/mS=5、界面曲率對(duì)溶質(zhì)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(zhì)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(dòng)相圖中液固相線位置。6、壓力對(duì)溶質(zhì)平衡分配系數(shù)k0的影響：均勻地向上移動(dòng)相圖中液固相線位置。凝固動(dòng)力學(xué)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(nèi)生成穩(wěn)定存在的晶態(tài)小質(zhì)點(diǎn)的過程。2、均質(zhì)形核：在沒有任何外來的均質(zhì)溶體中，依靠液體金屬內(nèi)部自身結(jié)構(gòu)自發(fā)地形核。均質(zhì)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(xué)能障大，所需驅(qū)動(dòng)力大。異質(zhì)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(zhì)界面進(jìn)行形核。異質(zhì)形核首先發(fā)生在外來界面處，因此能障較小，所需的驅(qū)動(dòng)力也較小。 3、形核相變的驅(qū)動(dòng)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(shí)間內(nèi)形成的晶核數(shù)目。5、在液相中那些對(duì)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(zhì)形核理論的局限性：均質(zhì)形核是對(duì)理想純金屬而言的，其過冷度很大比實(shí)際液態(tài)金屬凝固時(shí)的過冷度大多了。實(shí)際上金屬結(jié)晶時(shí)的過冷度一般為幾分之一攝氏度到十幾攝氏度。實(shí)際的液態(tài)金屬(合金)在凝固過程中多為異質(zhì)形核。7、均質(zhì)形核與異質(zhì)形核的異同：相同點(diǎn)：異質(zhì)形核的臨界晶核半徑在形式上與均質(zhì)形核臨界晶核半徑完全相同不同點(diǎn)：①均質(zhì)形核臨界晶核是球體，而異質(zhì)形核的晶核為球體的一部分（球冠），因而異質(zhì)晶核中所含原子數(shù)目少，這樣的晶坯易形成。②潤濕角θ與均質(zhì)形核無關(guān)，而影響異質(zhì)晶核的體積形核劑的條件：①適配度?、诖植诙却螈鄯稚⑿院芒軠胤€(wěn)定性好9、當(dāng)晶格點(diǎn)陣適配度δ≤5%時(shí)，通過點(diǎn)陣畸變過渡，可以實(shí)現(xiàn)界面兩側(cè)原子之間的一一對(duì)應(yīng)。這種界面稱為完全共格界面，其界面能較低，襯底促進(jìn)非均質(zhì)生核的能力很強(qiáng)；當(dāng)5%＜δ＜25%時(shí)為部分共格界面；當(dāng)δ≥25%時(shí)，為不共格，夾雜物襯底無形核能力。10、界面共格對(duì)應(yīng)原則：固相雜質(zhì)表面的原子排列規(guī)律和原子（晶粒細(xì)化劑的選擇原則）間距與新相晶核相近。（晶粒細(xì)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。螺旋位錯(cuò)機(jī)制：這種螺旋位錯(cuò)臺(tái)階在生長過程中不會(huì)消失。孿晶面機(jī)制：長大過程中溝槽可保持下去，長大不斷地進(jìn)行。非平衡狀態(tài)下的共晶生長區(qū)P173金屬凝固的宏觀組織澆注及凝固過程中液體的三種流動(dòng)形式:①澆注時(shí)存在液流的沖刷——強(qiáng)制對(duì)流。②澆注時(shí)及澆注完畢后液體存在自然對(duì)流。③存在著枝晶間及分枝間的液體流動(dòng)——微觀流動(dòng)。2、金屬凝固的典型宏觀組織：①表層細(xì)晶區(qū)②內(nèi)部柱狀晶區(qū)：晶粒垂直于型壁排列，且平行于熱流方向③中心等軸晶區(qū)：晶粒較為粗大3、獲得細(xì)等軸晶的措施：①增大冷卻速度（V冷↑）和降低澆注溫度（t澆↓）②加強(qiáng)液體在澆注和凝固期間的流動(dòng)（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。）③孕育處理⑴外加晶核：（在澆注時(shí)向液流中加入被細(xì)化相具有界面共格對(duì)應(yīng)的高熔點(diǎn)物質(zhì)或同類金屬的碎粒，使之成為異質(zhì)形核的有效襯底，促使異質(zhì)形核，增加晶粒數(shù)而細(xì)化晶粒。）⑵采用生核劑（加入的物質(zhì)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(chǎn)生晶核或成為有效襯底，這類物質(zhì)稱為生核劑。）⑶采用強(qiáng)過冷成分元素（強(qiáng)成分過冷元素在Al-Si合金中稱為變質(zhì)劑，生產(chǎn)中稱為變質(zhì)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(zhì)，促進(jìn)形核、抑制生長，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。———————————————————————————————————————簡答題目：純金屬和實(shí)際金屬液態(tài)結(jié)構(gòu)有何異同？純金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)：接近熔點(diǎn)的液態(tài)金屬是由和原子晶體顯微晶體和“空穴”組成。

實(shí)際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)：存在著兩種起伏：能量起伏、濃度起伏。微觀上是由結(jié)構(gòu)和成分不同的游動(dòng)原子集團(tuán)，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(xué)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(xué)健。液態(tài)金屬的基本特征是什么？①有固定的體積。②有很好的流動(dòng)性。③物理化學(xué)性質(zhì)接近于固態(tài)，而遠(yuǎn)離氣態(tài)。相平衡條件相平衡時(shí)，每一組元在共存的各相中的化學(xué)勢(shì)都必須相等。在k個(gè)元素含有p個(gè)相的體系中，恒溫等壓的化學(xué)平衡條件是：固液界面在結(jié)構(gòu)上有哪兩種類型？他們?cè)谖⒂^和宏觀上的特點(diǎn)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，宏觀粗糙。界面類型的實(shí)質(zhì)是什么？能量最低時(shí)的原子沉積幾率不同。能量最低時(shí)原子沉積幾率近似為0或1，說明是光滑界面；能量最低時(shí)原子沉積幾率近似為遠(yuǎn)離0或1，說明是粗糙界面。討論長大機(jī)制與過冷度的關(guān)系。①過冷度小，按螺位錯(cuò)方式長大；②過冷度大，連續(xù)長大；③二維晶核長大在任何情況下，可能性都不大。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(qū)動(dòng)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(jìn)一步生長。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P93均質(zhì)形核機(jī)制必須具備哪些條件？①冷液體中存在相起伏，以提供固相晶核的晶胚。②形核導(dǎo)致體積自由能降低，界面自由能提高。為此，晶胚需要體積達(dá)到一定尺寸才能穩(wěn)定存在。③過冷液體中存在能量起伏和溫度起伏，以提供臨界形核功。④為維持形核功，需要一定的過冷度即三個(gè)基本條件：過冷度，能量起伏，結(jié)構(gòu)起伏。為什么過冷度是液態(tài)金屬凝固的驅(qū)動(dòng)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(shì)大于固態(tài)金屬。在熔點(diǎn)附近凝固時(shí)，熱焓和熵值隨溫度的變化可忽略不計(jì)，則有相變驅(qū)動(dòng)力：過冷度△T＝T-Tm為金屬凝固的驅(qū)動(dòng)力，過冷度越大，凝固驅(qū)動(dòng)力越大；金屬不可能在T＝Tm時(shí)凝固。為什么說異質(zhì)形核比均質(zhì)形核容易？影響異質(zhì)形核的基本因素和其他條件是什么？因?yàn)榫|(zhì)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(shí)際金屬凝固過程中的過冷度遠(yuǎn)小于此，所以較難發(fā)生；對(duì)異質(zhì)形核而言，液態(tài)金屬中存在一些微小的固相雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)，并且液態(tài)金屬在凝固時(shí)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(zhì)形核比均質(zhì)形核更容易。界面共格對(duì)應(yīng)原則的實(shí)質(zhì)是什么？增大固、液兩相界面附著力，減小異質(zhì)形核的形核功，使固相質(zhì)點(diǎn)成為異質(zhì)形核的有效襯底。成分過冷的判據(jù)式（有過冷/無過冷）無成分過冷判據(jù)式為：有成分過冷判據(jù)式為：成分過冷的本質(zhì)是什么？①成分過冷使實(shí)際過冷度降低，阻礙固液界面的推進(jìn)。②成分過冷使界面不穩(wěn)定，