材料加工原理（液态成型部分）复习题：

名词解释：

1、 自发形核

在不借助任何外来界面的均匀熔体中形核的过程。

2、 非自发形核

在不均匀熔体中，依靠外来杂质界面或各种衬底形核的过程。

3、 气孔

为梨形、圆形、椭圆形的孔洞，表面较光滑，一般不在铸件表面露出，大孔独立存在，小孔则成群出现。

4、 非金属夹杂物

在炼钢过程中，少量炉渣、耐火材料及冶炼中反应产物可能进入钢液，形成非金属夹杂物。

5、 残余应力

产生应力原因消除后，铸件中仍然存在的应力。

6、 充型能力

液态金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成型件的能力。

7、 缩孔

指铸件在冷凝过程中收缩而产生的孔洞，形状不规则，孔壁粗糙。

8、 缩松

铸件断面上出现的分散而细小的缩孔。

9、 铸造应力

铸件在发生体积膨胀或收缩时，往往受到外界的约束或铸件各部分之间的相互制约而不能自由地进行，于是在变形的同时产生应力

10、 11、 12、

单相合金 多相合金 溶质再分配

凝固过程中只析出一个固相的合金 (固溶体,金属间化合物,纯金属)

凝固过程中同时析出两个以上新相的合金 （共晶、包晶、偏晶转变的合金）

合金在凝固时，随着温度不同，液固相成分发生改变，且由于固相成分与液相原始成分不同，排出溶质在液-固界面前沿富集，并形成浓度梯度，从而造成溶质在液、固两相重新分布，这种现象称之为“溶质再分配”现象。

13、 14、 15、

平衡凝固 溶质分配系数 动力学过冷度

在接近平衡凝固温度的低过冷度下进行的凝固过程。

一定温度下，处于平衡状态时，组分在固定相中的浓度和在流动相中的浓度之比 物体实际结晶温度与理论结晶温度的差。

液态成型理论基础：

1、 纯金属和实际合金的液态结构有何不同？举例说明。

答：（1）纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。原子集团的空穴

1

或裂纹内分布着排列无规则的游离原子，这样的结构处于瞬息万变的状态，液体内部存在着能量起伏。实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡组成的鱼目混珠的“混浊”液体，也就是说，实际的液态合金除了存在能量起伏外，还存在结构起伏、成分起伏。

（2）例如钢液，在钢液中主要为Fe，含有C、Si、S、P、Mn、O、H等元素。这些元素或以原子集团存在，或以高熔点化合物如SiO、CaO、MnO等形式存在，共同构成有较大成分起伏的钢液主体以及杂质、气体和空穴等。

2、 液态金属的结构特征有哪些？

液态金属结构接近固态（近程有序），原子均不能自由运动。围绕平衡位置振动，但振动的能量和频率高很多（长程无序）。

原子间距接近固体。（熔化时，体积变化不大）

熔化时，内部原子结合键只有部分被破坏。（熔化时，焓变变化不大）

熔点附近液体混乱度和固态差不多，但是比气态小很多。（熔化时，熵变变化不大）

3、 引起表面张力与界面张力的原因是什么？

物体在表面上的质点受力不均。 界面：两相交界面。

表面：液（固）与气体交界面。

4、 粘度的物理本质什么？

物理本质：原子间作相对运动时产生的阻力。 流体在层流动下，液体中所有液层按平行方向运动。在层界面上的质点相对另一层上的质点作相对运动会产生摩擦阻力。

5、 液态金属的表面张力与界面张力有何不同？表面张力与附加压力有何关系？

答：（1）液态金属的表面张力是界面张力的一个特例。表面张力对应于液－气的交界面，而界面张力对应于固－液、液－气、固－固、固－气、液－液、气－气的交界面。 （2）表面张力与附加压力符合下列公式的关系：

???（?）

式中r1、r2分别为曲面的曲率半径。

附加压力是因为液面弯曲后由表面张力引起的。

1r11r2

6、 钢液对铸型不浸润，θ=180℃，铸型砂粒间的间隙为0.1cm，钢液在1520℃时的表面张力σ=1.5N/m,密度ρ液=7500kg/m3。求产生机械粘砂的临界压力；欲使钢液不浸入铸型而产生机械粘砂，所允许的压头H值是多少？ 解：

2

产生机械粘砂的临界压力： ??2?/r 显然： r?1?0.1?0.05 cm

2则 ??2?1.5?6000 Pa ?40.5?10不产生机械粘砂所允许的压头为：

6000?0.08 m

7500?107、 1600℃时,铁水的σm 等于1.3N/m，渣的σs 等于6.0x10-1N/m, σsm 等于1N/m。如果铁水含硫量很高时，σm 等于0.6N/m,渣的σs 等于0.5N/m, σsm 等于0.1N/m。分析以上两种状态渣在铁水上的铺展性。 H??（/?液?g）=σm=σsm+σs*cosθ

低硫含量时，1.3=1+0.6* cosθ1，cosθ1=0.5，θ1=60° 高硫含量时，0.6=0.1+0.5* cosθ2，cosθ2=1，θ2=0° 含硫高的铁水中渣的润湿角小，铺展性好，不利于除渣。

8、 根据Stokes公式计算钢液中非金属夹杂物MnO的上浮速度，已知钢液温度为1500℃，η=0.0049Pa.s，ρ液=7500kg/m3，ρMnO=5400kg/m3，MnO呈球形，其半径r=0.1mm。

解： 由Stokes公式，上浮速度为：

2r2(?1??2)g v?9?式中：r为球形杂质半径，ρ1为液态金属密度，ρ2为杂质密度，η为液态金属粘度 所以，上浮速度为：

22?（0.1?10－3）?(7500－5400）?9.8v??9.33?10?3 m/s

9?0.0049

9、 计算钢液在浇注过程中的雷诺数Re，并指出它属于何种流体流动。已知浇道直径为20mm，铁液在浇道中的流速为8cm/s，运动粘度为0.307ｘ10-6m2/s。 10、

已知660℃时铝液的表面张力σ=0.86N/m，求铝液中形成半径分别为1

μm和0.1μm的球形气泡各需多大的附加压力？

11、 液态合金的流动性与充型能力有何异同？如何提高液态金属的充型能力？

3

答：（1）液态金属的流动性和冲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，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，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。

（2）提高液态金属的冲型能力的措施：

1）金属性质方面：①改善合金成分；②结晶潜热L要大；③比热、密度、导热系大；④粘度、表面张力大。

2）铸型性质方面：①蓄热系数小；②适当提高铸型温度；③提高透气性。 3）浇注条件方面：①提高浇注温度；②提高浇注压力。

4）铸件结构方面：①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度；②降低结构复杂程度。 12、

论液态金属的停止流动机理。

4

13、 描述杂质颗粒在液态金属中运动的斯托克斯公式中，杂质上浮速度的影

响因素？ 14、

与具有晶体结构的固态金属相比，液态金属的原子结构或原子分布状态

有什么不同? 15、

液态金属的粘度与温度有怎样的关系？在金属熔点附近的温度区间和

远高于熔点的温度区间，温度对粘度的影响有什么不同？ 16、

利用表面张力平衡原理，写出表面张力与润湿角的关系式，并讨论不润

湿和完全润湿的表面张力条件。 17、

某溶质对某液态金属是表面活性物质，则在液态金属的表面聚集的溶质

原子对液态金属的表面张力产生怎样的影响？

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减少表面张力。

液态金属的凝固形核及生长方式：

1、 为什么过冷度是液态金属凝固的驱动力？

因为只有实际结晶温度低于理论结晶温度，才能满足晶体结晶的热力学条件，过冷度越大固液两相的自由能相差更大，液态金属结晶的驱动力也更大，结晶速度也越快。

2、 何谓热力学能障和动力学能障？凝固过程是如何克服这两个能障的？

热力学能障——由被迫处于高自由能过渡状态下的界面原子所产生，能直接影响到体系自由能的大小，界面自由能即属于这种情况。

动力学能障——由金属原子穿越界面过程所引起，原则上与驱动力的大小无关而仅取决于界面的结构与性质，激活自由能即属于这种情况。

热力学能障对生核过程影响很大，动力学能障在晶体生长过程中则具有重要的作用。液态金属凝固过程中必须克服热力学和动力学两个能障。

液态金属在成分、温度、能量上是不均匀的，即存在成分、相结构和能量三个起伏，也正是这三个起伏才能克服凝固过程中的热力学能障和动力学能障，使凝固过程不断地进行下去。

3、 假设液体金属在凝固时形成的临界核心是边长为a*立方体形状； （1） 求均质形核时的a*与?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容易形成。

解：（1）对于立方形晶核： 令：

?G方??a3?GV?6a2?CL

d?G方?0 da①

则有：

?3a2?GV?12a?CL?0，

其临界晶核尺寸为：

6

a*?由此可得：

4?CL， ?GV?CLa*?GV?，

4代入①，则得方形晶核的临界形核功ΔG方*与边长a*的关系式为：

a*?GVa*2?GV?G方??a?GV?6a??

42**3*2（2）对于球形晶核：

球形临界晶核半径：

4*?G球???r3?GV?4?r2?CL

3①

r*?则有：

2?CL， ?GV2?r*2?GV?G?，

3*球所以：

?G*方a*2?GV?G?2*球2?r*2?GV6??1 3?因此，球形晶核较立方形晶核更易形成。

4、 假设?H、?S与温度无关，试证明金属在熔点上不可能凝固。 5、 熔化熵与液固界面结构有什么关系？

α=Sm/8.31 α≤2,

熔化熵小，粗糙表面。 α≥3

熔化熵大，平整表面。

6、 已知Ni的Tm=1453℃，L=-1870J/mol，σLC=2.25×10-5J/cm2，摩尔体积为6.6cm3，设最大过冷度为319℃，求?G均*，r均*。

解：

3222?r*2?GV16??CLTm2?(2.25?10－5)3?（1453＋273）?17?G????6.95?10 J222233L?T(18706.6)?319*均

7

2??CLTm2?(2.25?10－5)?（1453＋273）r???8.59?10?9 m

L?T(18706.6)?319*均7、 什么样的界面才能成为异质结晶核心的基底？

从理论上来说，如果界面与金属液润湿，则这样的界面就可以成为异质形核的基底，否则就不行。但润湿角难于测定，可根据夹杂物的晶体结构来确定。当界面两侧夹杂和晶核的原子排列方式相似，原子间距离相近，或在一定范围内成比例，就可以实现界面共格相应。完全共格或部分共格的界面就可以成为异质形核的基底，完全不共格的界面就不能成为异质形核的基底。

8、 固液界面结构对应的晶体生长方式和生长速度如何？

垂直生长 侧向生长

9、 共晶两相的的液固界面结构对共晶生长形态有什么影响？

共生生长：两相彼此紧密相连，相互依赖生长，两相前方液体区域有溶质运动。

离异生长：共晶两相没有共同的生长界面，各自以不同速度独立生长。两相析出时间和空间是分离的。分为“晕圈型”和“晶间偏析型”。

10、 11、

阐述影响晶体生长的因素。

固-液界面结构达到稳定的条件是什么？

温度、粘度、结晶速度、杂质、涡流

固液界面结构稳定时须使体系满足自由能最小，对应于界面能最小，具体说来，当α≤2 时，表面层内沉积 50%个左右的原子时，固液界面能达最小值，即此时粗糙界面是稳定的；当α>3 时，表面层内只有少数点阵位置被占据或是绝大部分位置被占据后而仅留下少量空位，即此时光滑界面是稳定的。

12、

阐述粗糙界面与平整界面间的关系。

粗糙界面：固相一侧的点阵位置只有约50%被固相原子所占据，形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面结构，也称“非小平面”。

光滑界面：界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子所占满，只留下少数空位或台阶，从而形成整体上平整光滑的界面结构。

关系：原子尺度上的界面差别。

13、 液态金属结晶的热力学条件是什么？

结晶过程中金属原子要达到一个稳定的状态，必须经过一个自由能更高的中间过渡状态，相变势垒。由于不能使系统的自由能过高，系统用起伏作用为相变提供了可能。在存在相变驱动力的前提下，液态金属的结晶需要通过起伏作用克服热力学障碍和动力学障碍，并

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能过形核和生长方式而实现转变。

14、 均匀形核与非均匀形核的差别是什么？

均匀形核在均匀熔体中形核，在熔体各处概率相同，热力学能障较大，所需的驱动力也较大。均匀形核是对纯金属而言的。

非均匀形核在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型壁界面提供的衬底表面进行形核。发生在外来界面处，因此热力学能障比较小，所需的驱动力也较小。实际液态金属中的形核过程中一般是非均匀形核。

单向合金与多相合金的凝固：

1、 设相图中液相线与固相线为直线，证明平衡分配系数为常数。

2、 分别推导合金在平衡凝固和固相中无扩散、液相完全混合条件下凝固时，固-液界面处的液相温度TL*与固相质量分数fs的关系。

固无扩，液相混：cs*fs+cl*fl=c0, fs+fl=1, (cs-cl)dfs=fl*dcl得到cs=k0c0(1-fs)^(k0-1)

3、 分析溶质在固相中无扩散、液相中只有扩散条件下的溶质再分配过程。

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4、 Al-Cu相图的主要参数为CE=33%Cu，Cs=5.65%Cu，Tm=660℃，TE=548℃。用Al-1%Cu合金浇一细长圆棒，使其从左到右单向凝固，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) 凝固完毕时，共晶体所占的比例。

(3) 画出沿试棒长度方向Cu的分布曲线图，并标明各特征值。

5、 试述成分过冷与热过冷的含义以及它们之间的区别与联系？

由熔体实际温度分布所决定的过冷状态称为热过冷；由溶质再分配导致界面前方熔体成分及其凝固稳定发生变化而引起的过冷称为成分过冷。

热过冷与成分过冷之间的根本区别是前者仅受传热过程控制，而后者则同时受传热过程和传质过程制约，但其实在晶体生长过程中，界面前方的热过冷只不过是成分过冷在 C0=0 时的一个特例，两者在本质上是一致的。

6、 什么是温度过冷？什么是成分过冷？各自对固液界面形态有什么影响？

在纯金属凝固中，结晶温度固定，因而其过冷状态仅与界面前方的局部温度分布有关。这种由熔体实际温度分布所决定的过冷状态称为温度过冷。

对于一般单相合金，结晶过程中产生溶质再分配，过冷状态由界面前方熔体的实际温度和熔体液相线温度共同决定。这种由溶质再分配导致的界面前方熔

炉体成分及其凝固温度发生变化而引起的过冷称为成分过冷。

7、 何谓成分过冷判据？成分过冷的大小受哪些因素的影响？成分过冷对晶体的生长方式有何影响？

成分过冷值及成分过冷区宽度既取决于凝固过程中的工艺条件 GL 与 R，也与合金本身性质 C0，K0，m 及 DL 有关，其中 R、C0、m 越大，GL、DL 越小，k0偏离 1 越远，则成分过冷值越大，过冷区越宽。无成分过冷时，界面以平面生长方式长大；随成分过冷的出现及增大，界面生长方式将逐步转变为胞状生长，然后过渡为枝晶生长；当成分过冷继续增大，合金的宏观结晶状态将由柱状枝晶的外生生长到等轴晶的内生生长转变。

8、 影响枝晶间距的主要因素是什么？枝晶间距与材质的质量有何关系？

决定枝晶间距的首要因素是 GL 与 R，晶体某处液相温度梯度越高，生长速度越快，则枝晶间距就越小。枝晶间距越小，组织就细密，分布于其间的元素偏析范围就越小，铸件越容易经过热处理而均匀化且显微缩松和非金属夹杂物也更加细小分散，越有利于提高性能。

9、 共晶结晶中，满足共生生长和离异生长的基本条件是什么？共晶两相的固-液界面结构与其共生区结构特点之间有何联系？它们对共晶合金的结晶方式有何影响？

（1）共生生长的基本条件：

a.共晶两相应有相近的析出能力，后析出相易于在领先相得表面生核，从而便

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于形成具有共生界面的双向核心；

b.界面沿溶质原子的横向扩散能保证共晶两相等速生长，使共生生长得以继续进行。

（2）离异生长的基本条件

?一相大量析出，而另一相尚未开始结晶时，形成晶相偏析型离异共晶组织。合金成分偏离共晶点很远，初晶相长的很大，共晶成分的残面液体很少，另一相得形核困难：偏离共晶成分，初晶相长的较大，另一相不易形核或液体过冷度太大而使该相析出受阻；

?当领先相为另一相的“晕圈”，被封闭时，形成领先相成球状结构的离异共晶组织； （3）

1）非小面--非小面：共生生长，形成两相规则排列的层片状，棒状，条带状共生共晶组织，特殊情况下形成晶间偏析型离异共晶组织。

2）非小面--小面：第二相以镶边的结构将领先相包围形成晕圈状的双相结构。如果晕圈结构是非封闭的，则以共生生长的方式进行结晶，但共生界面在局部是不稳定的，领先相的生长形态决定着共生两相的结构形态。如果晕圈结构是封闭的，则以离异方式生长。

10、 试述非小平面-非小平面共生共晶组织的形核机理和生长机理、组织特点和转化条件。

1）形核机理：共晶转变开始时熔体首先通过独立形核析出领先相固溶体，相的析出一方面促使界面前沿组元原子不断富集，另一方面又为新相提供有效衬底，从而导致相固溶体相球面上析出。相的析出又反过来促进相的生长。显然，在领先相表面一旦出现第二相，则可通过一种彼此依附、交替生长的方式产生新的层片来构成所需的共生界面，而不需要每个层片重新形核，即通过搭桥方式来完成形核过程。

2）生长机理：在共生生长过程中，两相各向其界面前沿排出另一组元原子，并通过横向扩散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、相互促进，并排快速向前生长。

3）组织特点：由于两相彼此合作的性质，两相将并排析出且垂直于固-液界面长大，形成了两相规则排列的层片状、棒状或介于两者之间的条带状共生共晶组织。

4）转化条件：相间总界面能决定形成层片状还是棒状共生共晶组织。当某一相的体积分数时，结晶时倾向于形成棒状共晶组织，当时，结晶倾向于形成层片状共晶组织，当时，可能形成介于两者之间的条带状组织或两者共存的混合型组织。第三组元在共晶两相中的平衡分配系数相差较大，则层片状共晶易转化为棒状共晶。当合金中存在的第三相组元，在适当工艺条件下（如GL小，R大时），两相的层片或棒将会发生弯曲而形成扇形结构，当第三组元浓度较大或者更大的冷却速度下，成分过冷进一步扩大，胞状共晶将发展为树枝晶状共晶组织，甚至还会导致共晶合金由外生生长向内生生长转变。

11、 小平面-非小平面共晶生长的最大特点是什么？它与变质处理原理之间有什么关系？

金属-非金属共晶属于第Ⅱ类共晶体，长大过程往往仍是相互耦合的“共生”长

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大，但由于小晶面相(非金属相)晶体长大具有强烈的方向性，且对凝固条件(如杂质元素或变质元素)十分敏感，容易发生弯曲和分枝，所得到的组织较为无规则属于“不规则共晶”。

变质：向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善组织目的一种方法。即改变了凝固条件。

12、 规则共晶生长时可为棒状或片状，试证明当某一相的体积分数小于1/π时容易出现棒状结构。

13、 界面作用对人工复合材料的凝固有何影响？

当强化相表面与合金液表面相互浸润时，其本身就可以作为异质形核的核心，按异质形核的规律进行结晶，使组织得到细化。当强化相与合金液不浸润时，强化相被排斥于枝晶间或界面上，严重影响着复合材料的性能。

14、 分析：外界因素和合金因素是如何影响成分过冷的？各个因素的影响趋势如何？

工艺因素：1.液相中温度梯度小（GL小） 2.晶体生长速度快（R大） 合金本身因素：1.液相线斜率大（mL大） 2.原始成分浓度高（C0大） 3.液相中溶质扩散系数DL低 4.k0<1时,k0要小；k0>1时，k0要大

15、 分析：从成分过冷和晶体对称性的角度分析胞状晶侧面的不稳定性受哪些因素影响？并与平界面不稳定性比较之。

16、 初始过渡区的长度与哪些因素有关？为了尽快达到稳定均一的成分应该采取哪些措施？凝固速度的变化(增大或减小)对稳定区成分分布有何影响？ 17、 画图分析层片状规则共晶凝固界面前沿液相内的成分、过冷度和曲率半径的分布特征

凝固组织的形成与控制：

1、 铸件典型宏观凝固是由哪几部分构成的？它们的形成机理如何？

铸件的典型凝固组织为：表面细等轴晶区、中间柱状晶区、内部等轴晶区。 (1) 表面细等轴晶的形成机理：非均质形核和大量游离晶粒提供了表面细等轴晶区的晶核，型壁附近产生较大过冷而大量生核，这些晶核迅速长大并且互相接触，从而形成无方向性的表面细等轴晶区。

(2) 中间柱状晶的形成机理：柱状晶主要从表面细等轴晶区形成并发展而来，稳定的凝固壳层一旦形成处在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下，便转而以枝晶状延伸生长。由于择优生长，在逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。

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(3) 内部等轴晶的形成是由于剩余熔体内部晶核自由生长的结果。

2、 试分析溶质再分配对游离晶粒的形成及晶粒细化的影响。

溶质再分配引起界面前沿液体成分和密度的变化，导致自然对流的产生，使得游离晶粒漂移和堆积。游离晶粒是内部等轴晶晶核的来源，因此对于晶粒细化有着重要影响。

3、 采取工艺措施提高铸锭中等轴晶的比例。

薄壁铸件的快速冷却 ①薄壁铸件的快速冷却； ② 具有显微激冷作用的悬浮铸造； ③ 强成分过冷孕育剂和稀土孕育剂的应用；

④ 低温浇注有利于加快冷却速度，因而也能在一定程度上细化二次枝晶间距。 高温度梯度和小的非平衡结晶温度范围--细化二次枝晶间距（对等轴晶的形成是不利的）

4、 液态金属中的流动是如何产生的？流动对内部等轴晶的形成及细化有何影响？

液态金属中的流动分为浇注过程中的流动以及凝固期间的对流。后者分为自然对流和强迫对流。自然对流主要指铸型附近液体温度低、密度大而下沉，中心部分液体温度高、密度小而上浮所形成的一种对流。强迫对流是由外加电磁搅拌或机械搅拌作用形成。液态金属对流导致游离晶粒的漂移和堆积，使各种晶粒游离得以不断进行，而内部等轴晶核来源于浇注及凝固初期的游离晶，因此加强对流能够细化晶粒。

5、 常用生核剂有哪些种类？其作用条件和机理如何？

常用生核剂有以下几类： (1) 直接作为外加晶核的生核剂。

(2) 通过与液态金属中的某元素形成较高熔点的稳定化合物。

(3) 通过在液相中造成很大的微区富集，造成结晶相通过非均质形核而提前弥散析出的生核剂。

(4) 含强成份过冷的生核剂。 作用条件和机理：

1类：这种生核剂通常是与欲细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属、非金属碎粒，他们与欲细化相间具有较小的界面能，润湿角小，直接作为衬底促进自发形核。 2类：生核剂中的元素能与液态金属中的某元素形成较高熔点的稳定化合物，这些化合物与欲细化相间界面共格关系和较小的界面能，而促进非均质形核。 3类: 如分类时所述。

4类：强成分过冷生核剂通过增加生核率和晶粒数量，降低生长速度而使组织细化。

6、 作为增加形核率的形核剂，对其特性有什么要求？

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（1）应能保证结晶相在衬底物质上形成尽可能小的润湿角

（2）形核剂应在液态金属中保持稳定，并且具有最大的表面积和最佳期的表面特性。

7、 试分析影响铸件宏观凝固组织的因素，列举获得细等轴晶的常用方法。

答：影响铸件宏观凝固组织的因素：液态金属的成分、铸型的性质、浇注条件、冷却条件。

获得细等轴晶的常用方法： (1)向熔体中加入强生核剂。

(2)控制浇注条件：○1采用较低的浇注温度；○2采用合适的浇注工艺。

(2)铸型性质和铸件结构：○1采用金属型铸造；○2减小液态金属与铸型表面的润湿角；○3提高铸型表面粗糙度。

(4)动态下结晶细化等轴晶：振动、搅拌、铸型旋转等方法。

8、 何谓“孕育衰退”？如何防止？

孕育衰退：大多数孕育剂有效性均与其在液态金属中的存在时间有关，即存在着随着时间的延长，孕育效果减弱甚至消失。

解决办法：在保证孕育剂均匀溶解的前提下，应采用较低的孕育处理温度。

9、 简述析出性气孔的特征、形成机理及主要防止措施。

析出性气孔的特征：（1）形状特征：多为分散小圆孔，直径0.5～2mm，或者更大，肉眼能观察到麻点状小孔，表面光亮。（2）位置分布：在铸坯断面上呈大面积、均匀分布，而在最后凝固的部位较多。（3）气体成分：氢气、氮气。（4）出现规律：往往一炉金属液中全部或多数出现这种气孔。（5）敏感合金：铝合金和钢比较容易出现这种气孔。（6）伴生现象：冒口中缩孔减小，并有不同程度的冒口上涨现象。

形成机理：（1）溶解气体的析出：随温度降低，气体溶解度降低，当开始凝固温度时，一般溶解度骤降。上述原因导致溶解在金属液中的气体析出，并形成气胞核。（2）气泡核的长大：气泡核能否长大取决于气泡内的压力是否大于外部压力之和。（3）气孔的形成：气泡形成后来不及排除，金属液已经开始凝固，留在金属内成为气孔。

主要防止措施：（1）减少原料含气量（2）除气处理（3）阻止气体析出

10、 分析初生夹杂物、次生夹杂物及二次氧化夹杂物是如何形成的？主要防止措施有哪些？

初生夹杂物：是在金属熔炼及炉前处理过程中产生的。次生夹杂物：是在金属凝固过程中产生的。二次氧化夹杂物：而在浇注过程中因氧化而产生的夹杂物称为二次氧化夹杂物。

排除初生：（1）加熔剂在液态金属表面覆盖一层能吸收上浮夹杂物的熔剂（如铝合金精炼时加入氯盐），或加入能降低夹杂物密度或熔点的熔剂（如球墨铸铁加冰晶石），有利于夹杂物的排除。（2）过滤法使液态金属通过过滤器以去除夹杂物。（3） 排除和减少液态金属中气体的措施。

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防止二次措施：（1）正确选择合金成分，严格控制易氧化元素的含量。（2）采取合理的浇注系统及浇注工艺，保持液态金属充型过程平稳流动。（3）严格控制铸型水分，防止铸型内产生氧化性气氛。还可加入煤粉等碳质材料，或采用涂料，以形成还原性气氛。（4）在液态金属表面加入熔剂，促使氧化物夹杂的排除，保护型内金属表面不被氧化。（5）对要求高的重要零件或易氧化的合金，可以在真空或保护性气氛下浇注。

11、 某厂生产的球墨铸铁曲轴，经机加工和抛丸清理后，发现大量直径1~3mm的球状、椭圆状或针孔状、内壁光滑的孔洞，有的均匀分布，有的呈蜂窝状分布，试对此缺陷产生的原因进行分析，并提出防止措施。

12、 何谓体收缩、线收缩、液态收缩、凝固收缩、固态收缩、收缩率、顺序凝固和同时凝固？

13、 试分析缩孔、缩松形成条件及形成原因的异同点。

14、 试分析灰铸铁及球墨铸铁间生缩孔及缩松的倾向性及影响因素。 15、 简述顺序凝固原则及同时凝固原则分别适用于哪些情况？

顺序凝固是使逐渐远离冒口的部位先凝固，然后是靠近冒口的部位凝固，最后才是冒口凝固。同时凝固原则是尽量减少铸件各部位间的温度差，使其均匀的冷却。 顺序凝固原则适用于铸件壁厚相差大或者凝固过程远离共晶点。 同时凝固原则适用于铸件壁厚相差不大或者金属凝固过程接近共晶点

16、何谓晶内偏析、晶界偏析、正偏析、逆偏析、V形偏析、逆V形偏析、带状偏析？

1 正常偏析 以溶质分配系数k<1为例，合金凝固时，凝固界面的液相中将有一部分被排○

挤出，随着温度的降低，溶质浓度将逐渐增加，最后凝固的固相，溶质浓度最高。这是溶质在凝固界面再分配的结果，是正常现象，故称之为正常偏析。

2 逆偏析 以溶质分配系数k<1为例，合金凝固时，铸件先凝固的部分溶质元素较多，而○

中心部位或上部含溶质较少，这种现象称之为逆偏析。结晶温度区间宽的固溶体合金和粗大的树枝晶易产生逆偏析。

3 V形和逆V形偏析 V形偏析和逆V形偏析常常出现在大型铸锭中，一般呈锥形，偏析○

带中含有较高的碳，以及硫和磷等杂质。

4 带状偏析 由于固-液界面前沿液相中存在溶质富集层，且晶体生长速度发生变化，使得○

凝固界面产生溶质贫乏或富集带，称之为带状偏析。

5.晶内：晶内先结晶的部分溶质含量低，后结晶部分溶质含量高。这种成分的不均匀性就称为晶内偏析。

6.晶界：在合金凝固过程中，溶质元素和非金属夹杂物富集于晶界，使晶界与晶内的化学成分出现差异这种成分不均匀现象。

16、 分析偏析对铸件质量的影响。

液态合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀的现象称之为偏析。

17、 分析影响铸件中产生正偏析和逆偏析的因素。如何防止它们的产生及消除措施如何？

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防止措施：逆偏析：采取细化晶粒，减小合金液的含气量。

18、 生产中如何防止重力偏析的形成？

重力偏析：在重力或离心力作用下，因密度差使金属液分离为互不溶合的金属液层，或在铸件内产生的成分和组织偏析。

防止：减轻或防止重力偏析的方法有：浇注时充分搅拌，合金中加入阻碍初晶浮沉的元素，降低浇注温度，加快凝固速度等。

19、 为什么铸铁易形成冷裂纹？防止措施有哪些？

铸件的冷裂是铸件处于弹性状态，铸造应力超过材料的抗拉强度时产生的裂纹。

1 晶内偏析 指在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于具有一定结晶温度范围、○

能够形成固溶体的合金中。

2 晶界偏析 在合金凝固过程中，溶质元素和非金属夹杂物富集于晶界，使晶界与晶内的○

化学成分不均匀的现象，称之为晶界偏析。

20、

三种。

试分析T形梁铸件在冷却过程中的应力和变形。

铸件在冷却过程中产生的应力，按照其产生原因可分为热应力、相变应力、和机械阻碍应力

1 热应力 铸件冷却过程中，由于各个部位温度的差异以及冷却速度的不同，因而同一时○

刻的收缩量不等，互相制约形成的应力。

2 相变应力 是铸件冷却过程中，发生固态相变的合金，因各个部位达到相变温度的时刻○

不同，相变程度也不同，组织之间相互制约形成的应力。

3 机械阻碍应力 铸件收缩过程中，受到诸如铸型、型芯、箱带等外部的机械阻碍作用而○产生的应力。

21、 22、 论述常见的凝固组织，及形成的过程和条件。 描述缩孔、气孔形成的原因和区别。

液态金属凝固时体积收缩，若铸件在凝固过程中得不到液体的补充，则必然会出现金属不足，通过金属流动使收缩集中到铸件最后凝固的部位形成大的集中缩孔。

气孔形成有两种类型：析出性气孔和反应性气孔。析出性气孔—金属的冷却过程中，溶解度随着温度下降的下降而降低。当金属冷却到开始结晶时，溶解度发生大幅下降，析出气泡，若气泡的上浮速度小于金属的凝固速度，则将生成气孔。反应性气孔—由液态金属中的冶金反应产生的气体。气孔形成后上浮受阻即保留于凝固金属中，形成气孔。 常见的冶金缺陷有哪些？

偏析；非金属夹杂物；缩孔与缩松；气孔；氢白点；热裂纹；冷裂纹；应力腐蚀裂纹

特殊条件下的凝固：

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1、 何为快速凝固？其基本原理是什么？如何实现？ 2、 快速凝固晶态合金的组织与性能有何特点？ 3、 快速凝固技术有哪些方法？各有何特点？ 4、 何为微重力？微重力环境有何特点？ 5、 微重力对凝固组织有何影响？ 6、 如何获得微重力环境？

7、 何为超重力？超重力场如何获得？ 8、 超重力场对合金凝固组织有何影响？ 9、 定向凝固技术有哪些应用？ 10、 定向凝固方法有哪些？

11、 定向凝固组织的主要特征有哪些？

12、 论述区熔定向凝固法提纯合金的基本方法与原理。 13、 单向凝固的必要条件是什么？ 14、 实现快速凝固的条件是什么？

15、 快速凝固制备薄膜材料有哪几种方法？ 16、 快速凝固组织有什么特点？ 17、 对于初始成份为C0、长度为L的长棒进行区域熔炼提纯，画图说明一次和二次区熔过程中，当熔区达中间某位置时长棒中的成份分布。

18、 介绍一种你最熟悉的快速凝固方法，说明其工艺过程，讨论其巧妙之处和局限性，提出你的改进方法。

19、 影响合金单向凝固的重要工艺参数是什么？ 它们是如何影响的？

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