材料成型

2020-03-03 16:48:40 来源：范文大全收藏下载本文

1.固态金属加热膨胀，液态金属的粘度，表面张力的本质是什么？

从一个晶格常数变成另一个晶格常数，晶体尺寸增大，即膨胀；粘度是原子间结合力；表面张力是质点间作用力不平衡引起的质点间作用力。

2.金属的熔化过程是一熵值增大的过程，为什么？

金属的熔化过程是金属原子由规则排列变成不规则排列的过程，熵值变化是系统结构紊乱性变化的量度，原子规则排列熵值小，不规则排列熵值大。

3.液态金属的结构是什么（理想和实际）

理想：原子集团、游离原子、空穴；实际：原子集团、游离原子、空穴、夹杂物及气泡等

4.液态金属的结构瞬息万变，存在的三个相起伏是什么？

温度（能量）起伏、结构（相）起伏、成分（浓度）起伏。

5.粘度，表面张力的影响因素和在材料成型中的意义；

一、粘度：影响因素是化学成分（难溶化合物的液体粘度较高，熔点低的共晶成分合金的粘度低）、温度（液体金属的粘度随温度的升高而降低）和夹杂物（液态金属中呈固态的非金属夹杂物使液态金属的粘度增加）。意义：1）、对液态金属净化的影响，液态金属中存在各种夹杂物及气泡等，必须尽量除去。2）、对液态合金流动阻力的影响，粘度对层流影响大。3）、对凝固过程中液态合金对流的影响，粘度越大，对流强度越小。

二、表面张力：影响因素是熔点（表面张力的实质是质点间作用力，故原子间结合力大的物质，其熔点、沸点高，则表面张力往往越大）、温度（大多数合金和金属，其表面张力随着温度升高而降低）和溶质元素（溶质元素对液态金属表面张力影响有两大类，是表面张力降低的溶质元素叫表面活性元素；使表面张力增大的溶质元素叫非表面活性元素）。意义：在材料加工工艺中经常遇到的毛细现象，主要是受表面张力所控制。表面张力对铸件的凝固过程的补缩状况对是否出现热裂缺陷有重大影响，界面现象影响到液态成型加工的整个过程，晶体成核及生长、缩松、热裂、夹杂及气泡等铸件缺陷都与表面张力关系密切。

6.界面润湿角越小，则界面张力越小，界面越稳定，界面结合力越大，请说明本质原因

润湿角是衡量界面张力的标志，界面张力达到平衡时，存在以下关系σLS=σCS+σCLCOSθ,即界面原子配位度大，晶

格畸变小，界面张力小，界面结合力越大。

7.影响充型能力的因素有哪些？怎样影响？

第一类因素：金属性方面的因素①金属密度ρ②金属的比热容C③金属的热导率λ④金属的粘度η⑤金属的结晶潜热L⑥金属的表面张力σ⑦金属的结晶特点。第二类因素：铸型方面的因素①铸型的蓄热系数②铸型的密度ρ③铸型的比热容C④铸型的导热率λ⑤铸型的温度⑥铸型的涂料层⑦铸型的发气性和透气性。浇注条件方面的因素：①液态金属的浇注温度②液态金属的静压头H③浇注系统中压头损失总和④外立场。第四类因素：铸件结构方面的因素①铸件折算厚度②由铸件结构所规定的型腔的复杂程度引起的压头损失。

8.为什么说过冷度是液态金属凝固的驱动力？

固相自由能为Gs，液相自由能为 GL，当 T=Tm时，GL=Gs，固液相为热力学平衡状态；当T>Tm时， GLGs，结晶才能自发进行。这时两相自由能之差∆Gv就构成两相变（结晶）的驱动力。∆Gv=GL-Gs=(HL-Hs)-T(SL-Ss)又 HL-Hs=L,SL-Ss=∆S，其中L为结晶潜热，∆S为融化熵。当T=Tm时，∆Gv=T-Tm∆S=0所以有 ∆S=L/Tm，因此可得 ∆Gv=L(Tm-T)/Tm=∆TL/Tm,(∆T=Tm-T)式中∆T为过冷度，对于给定金属， L与Tm均为定值，故 ∆Gv仅与∆T有关。因此，液态金属凝固的驱动力是由过冷度提供，过冷度越大，∆Gv越大，自由能变化越大，现象越易发生，即凝固驱动力越大。

9.根据凝固中的溶质再分配的程度或凝固速度的快慢，将金属的凝固分为哪三种？与凝固速度有何关系？

分为以下三种：①平衡凝固：溶质在固相和液相中都充分均匀扩散，凝固速度十分缓慢。②近平衡凝固：

1、固相无扩散，液相均匀混合的溶质再分配；

2、固相无扩散，液相无对流而只有有限扩散的溶质再分配；

3、固相无扩散，液相有对流的溶质再分配。凝固速度较快。③非平衡凝固，凝固速度很快。

10.为什么金属的凝固不能瞬时完成？金属要凝固必须要克服哪两个能障？

金属凝固必须克服动力学能障和热力学能障，它们都与界面状态密切相关。凝固过程中产生固液界面使体系的自由能增加，导致凝固过程不能瞬时完成，也不可能在很大范围内进行，只能逐渐形核生长，依靠三个相起伏的作用克

服这两个能障，才能完成液体到固体的转变。

11.什么叫形核率？过冷度越大，形核率越大，这句话对么？异质形核的形核率与金属的温度及在该温度的保持时

间有何关系？

（1）形核率：为单位时间、单位体积生成固相核心的数目。（2）这句话不对。随过冷度增加，形核率增加，达到最大值后，则不但不增加，反而下降，在实际生产条件下，过冷度不是很大，故形核率随过冷度的增加而上升。（3）

异质核心的熔点比液态金属的熔点高。当液态金属过热温度接近或超过异质核心的熔点时，异质核心将会融化或使其表面的活性消失，失去夹杂物应有的特性。从而减少活性夹杂物数量，形核率降低。

12.纯金属晶体生长的方式（宏观和微观）如何？

宏观：平面方式长大（正温度梯度），树枝晶方式生长（负温度梯度）。微观：①连续生长，即垂直生长（粗糙界面）②晶体的二维生长（光滑界面）③晶体从缺陷处生长（二维生长的另一种形式，光滑平整界面）1）、螺旋位错生长

2）、旋转孪晶生长3）、反射孪晶生长。

13.只要固液界面前沿的温度梯度大于0，金属的平面生长始终会保持，对吗？

不对，前提是不产生成分过冷。

14.固液界面的结构从微观上氛围哪两种？融化熵值与界面微观结构，金属与非金属间的关系如何？金属、非金属

与微观生长方式之间的关系？微观生长速度及之间的关系？

①非小平面（粗糙界面）②小平面界面即平整界面

α=（∆Sm/R）（n/V）,α取决于∆Sm熔化熵值，α≤2时为粗糙界面，α>2时为光滑界面。即∆Sm越大，界面越光滑，∆Sm

越小，界面越粗糙。绝大多数金属融化熵值均小于2，因此α值也小于2，为粗糙界面，非金属相反，为平整界面。

15.凝固动态曲线？体积凝固，逐层凝固以及与结晶温度范围，温度梯度，缩松等缺陷间的关系？

液相线边界曲线和固相线边界曲线组成动态凝固曲线；具有层状凝固方式的铸件，凝固过程中容易补缩，组织致密，性能好；具有体积凝固方式的铸件，不易补缩，易产生缩松，夹杂，开裂等缺陷，铸件性能差。

16.凝固时间与冶金的结晶潜热，比热容，浇注温度及铸型的蓄热系数间的关系。

凝固时间与液态金属的结晶潜热，比热容，浇注温度成反比，与铸型的蓄热系数成正比。

17.什么是平方根定律？根据其计算的时间与实际结晶时间的关系如何？平方根定律适合那些铸件的计算？为什

么？

ε=k√t即平方根定律，指出铸件凝固厚度ε与凝固时间t的平方根成正比。平方根定律对大平板，球体和长圆柱体铸件比较准确，比较适合大平板和结晶间隔小的合金铸件，对于短而粗的杆和矩形，由于边角效应影响，计算结果

一般比实际长10%~20%。

18.为什么液相有对流时的CL*、Cs*均小于液相仅有有限扩散时的？

有对流时密集在界面的溶质有一部分被冲刷到其他地方了。

19.晶体在生长时与液相接触的面通常为非密排面，为什么？

密排面能量小，界面能小的面跟液态金属相接触。

20.枝晶间距与生长速度和凝固温度范围间的关系？凝固温度范围和流动性有何关系？为什么？

一次枝晶间距d1=A1Gl-1/2V-1/2,温度升高，温度梯度大，则凝固速度减小，支晶间距小，生长速度大，支晶间距越小。凝固温度范围大，树枝晶生长时间长，长的粗大，枝晶间易接触，流动性差。

21.决定层片状共晶和棒状共晶的因素是什么？要获得100%的共晶组织，合金必须是共晶成分的合金，对吗？层片状：共晶体中两相体积分数的影响，界面能大小，第三组元对共晶结构的影响。不对、非共晶成分合金发生共晶凝固也可获得共晶组织。

22.在相图中共晶共生区一般偏向于高熔点组元一侧，对吗？为什么？共晶晶粒的形态如何？（空间结构）

在凝固时，高熔点的组元先析出，使生成共晶组织，共生区偏向高熔点一侧。层片状共晶通过搭桥分枝形成由中心向外散射状得球形共晶。

23.片状共晶生长中两相前沿的成分分布、过冷度如何？成分过冷和曲率导致的过冷，与λ的关系如何？规则与非

规则共晶组织分别是哪类合金的组织？

规则共晶组织（非小平面-非小平面共晶合金），金属与金属，金属与金属间化合物；非规则共晶组织（非小平面-小平面共晶合金），金属与非金属，金属和亚金属。

24.铁合金中的石墨和铝硅合金中的硅相为什么会长成板片状？

石墨长成板片状与它的晶体结构有关，而铝硅合金中的硅相受第三组元的影响形成旋转孪晶台阶。

25.偏晶合金凝固组织的结构与各相间界面能的关系？包晶合金的晶粒通常比较小，为什么？

1）σαL1=σαL2+σL1L2COSθ，凝固后的最终组织为在α相得基底上分布着棒状和纤维状。2）σαL2>σαL1+σL1L2①如果液滴L2的上浮速度大于固液界面的推进速度R，下部全为α相，上部全为β相。②如果固液界面的推进速度大于液滴的上升速度时，最后组织将是在α相得基体上分布着的棒状成纤维状的β相晶体，β相纤维之间的距离正如共晶组织中层片间距一样，取决于长大速度。3）σαL1>σαL2+σL1L2（θ=0，α相和L2完全润湿）且最终将是α相与β相得交替分层组织。因为：包层对溶质组元扩散有屏障作用，使得包晶反应不易继续下去，也就是包晶反应产物α相不易继续长

大，因此得到细小的α相晶粒组织。

26.复合材料的晶粒比较细小，请分析原因。

复合材料的空间狭小，有增强相，阻碍晶界迁移。

27.共晶自生复合材料要求相界要匹配，其含义和意义是什么？

σαβ

28.在制备非共晶自生复合材料中，固液相中溶质浓度的变化，晶体形态如何？

（1）第一阶段开始后，液相温度稍低于T0时析出初生单相α，成分为K0C0；当液相线的成分达到共晶成分CE时，与之平衡的固相α相的成分为Cam。第二阶段，当固液界面达到共晶温度TE，液相成分为CE时，α、β两项同时析出，β相的量增多直至达到平衡。稳定生长阶段：固相平均成分由Cam增加到合金成分C0，液相成分也是C0。（2）

愈接近共晶成分易得到层片状共晶，反之，易形成棒状共晶。

29.铸件从表面到中心，其宏观组织有何变化？三个区的形成机理？

表面细晶区（①激冷作用，极短时间产生产生大量的核②晶粒游离③壳层形成扩大细晶区）→柱状晶区（主要由表面细晶粒区发展而来，细晶区形成后，有单向热流形成）→中心等轴晶区（①过冷熔体非自发形核理论②激冷形成的晶核长大理论③型壁晶粒脱落和枝晶熔断理论④结晶角游离理论）

30.如何获得细小的等轴晶组织？

凡是有利于小晶粒的产生、游离、漂移、沉积、增殖的各种因素和措施，均有利于扩大等轴晶区得范围，抑制晶区的形成与发展，并细化等轴晶组织。①向熔体中加入强生核剂：1）、直接作为外加晶核的生核剂2）、能形成较高熔点稳定化合物的生核剂3）、通过在液相中微区富集使结晶相提前弥散析出形成的生核剂4）、含强成分过冷元素的生核剂。②控制浇注工艺和增大铸件冷却速度：1）、采用较低的浇注温度2）、采用合适的浇注工艺3）、改进铸型激冷倾向和铸型结构（铸型激冷能力的影响和液态金属与铸型表面的润湿角及铸型表面的粗糙度）4）、动态结晶细化等轴晶（振动和搅拌）

31.铸件中常存在的缺陷有哪些？

①气孔：减少金属的有效承载面积，造成局部应力集中，使金属的强度下降和抗疲劳能力降低②夹杂物：降低铸件的塑性、韧性和疲劳性能，产生热裂，促进微观缩孔形成③缩孔和缩松：减少逐渐受力面积，在尖角处产生应力集中，使铸件力学性能显著降低，降低铸件的气密性和物理化学性能④冷、热裂纹：裂纹扩展容易导致断裂。其他的还有应力、变形、偏析等。

32.什么是深过冷凝固技术？如何获得单晶？

深过冷凝固技术就是在熔体中形成尽可能接近均质形核的凝固条件，从而获得大的凝固过冷度。获得单结晶的方法：区熔法、拉拔法、正常凝固法。

33.均质形核，异质形核功的计算，其表达式的物理含义是什么？两者之间的关系如何？为什么？

体积自由能的减少只能提供2/3的临界形核功，其余能量由液态金属的相起伏提供。

34.平衡凝固，近平衡凝固中固液相中的溶质的分布曲线如何？为什么会形成这样的曲线？请推导Scheil公式。

35.推导液相只有有限扩散时的成分过冷判据。影响成分过冷去的因素？成分过冷区与晶体生长的关系？