金属凝固知识考题及解析

01描述液态金属的结构，指出与固态金属结构的差异。这种短程有序是不稳定的，表现为：在一定时间内液体中可能出现一些原子呈规则排列的微体积，经过一段时间之后，它们就消散。同时，在液体的另外一些微体积中又会形成原子的规则排列。这一过程可以不断重复进行。随着温度的下降，短程有序的程度和微观体积的尺寸增大。与固态结构的差异：(1)液体中原子之间的平均距离比固体中略大；(2)液体中原子的配位数比密排结构晶体的配位数小。02何谓过冷。推导过冷的热力学条件。金属开始凝固的温度Tn低于其熔点Tm，这种现象叫做过冷。推导见上交版材料科学基础第六章第三节。 03金属凝固过程包括哪两个基本过程。包括形核和长大两个过程。 04指出形核过程的驱动力和阻力分别是什么，比较均匀形核和非均匀形核的临界形核功大小和形核率的大小，说明造成两者差异的原因。形核过程的驱动力是体积自由能的下降，阻力是面积自由能的上升。非均匀形核的临界形核功小于均匀形核，非均匀形核的形核率大于均匀形核。这是因为在非均匀形核时阻力小于均匀形核所致。 05何谓正温度梯度和负温度梯度。何谓粗糙界面和光滑界面。正温度梯度有dT/dx>0关系，即离开界面越远，液体的温度越高。负温度梯度正好相反。粗糙界面：界面上有一半位置为原子占据，一半为空位。界面在微观范围是粗糙的，高低不平。界面由几个原子厚的过渡层组成。这种微观上粗糙的界面在宏观上是平直的。06简述三种长大机制。分析金属和非金属在正或负温度梯度下分别以何种机制长大，及其对固体形貌的影响。三种长大机制：垂直长大机制、二维形核长大机制、螺旋长大机制。金属在正、负温度梯度下都以垂直长大机制长大，在正温度梯度下以平面方式长大，长成等轴晶，在负温度梯度下以树枝晶方式长大，长成树枝晶。非金属在正、负温度梯度下都以二维形核机制和螺旋机制长大，在正温度梯度下以平面方式长大，长成等轴晶；在负温度梯度下有树枝晶的倾向，但是不明显。 07简述影响金属凝固后晶粒尺寸的因素。在金属凝固过程中，采用哪些措施可以使凝固后的晶粒细小。形核率和长大速度影响凝固后的晶粒尺寸。在金属凝固过程中，通过加快冷却速度、搅拌、变质处理可以细化晶粒。 08固溶体与纯金属的形核相比，除了需要结构起伏、能量起伏外，还需要什么。还需要成分起伏，因为先凝固的固相成分与液相成分是不同的。 09何谓平衡分配系数和有效分配系数。在某一温度下，平衡的固相成分与液相成分之比叫平衡分配系数。固溶体在不平衡凝固过程中，固液界面附近固相成分与远离界面的液相成分之比叫有效分配系数。  10纯金属凝固为什么需要结构起伏和能量起伏？因为固相的结构与液相不同，所以凝固时需要结构起伏。在凝固时，具有临界尺寸的晶胚是可以形核和长大的，但是，此时的形核功大于零，当液相中存在能量起伏时，若在较高能量的液相部分形核，就可以弥补所需的形核功。 11何谓成分过冷，说明形成成分过冷的条件。在不平衡凝固时，由于液相中溶质分布不均匀引起的过冷，叫成分过冷。成分过冷形成的条件： 12说明偏析产生的原因，指出消除偏析的方法。在不平衡凝固过程中，固相中溶质浓度分布不均匀，因而凝固结束，晶体中产生成分偏析。用扩散退火可以减轻或消除偏析。 13为了获得粗大的柱状晶，如何控制凝固条件。为了获得细小的等轴晶，又该如何控制凝固条件。为了获得粗大的柱状晶，可以采用定向凝固的方法。为了获得细小的等轴晶，可以采用搅拌、快速冷却（对小铸件）、进行变质处理等。