第六章 液态金属结晶的基本原理

1、第六章 液态金属结晶的基本原理1、怎么从相变理论理解液态金属结晶过程中的生核、成长机理？答：相变理论：相变时必须具备热力学和动力学条件。金属结晶属一种相变过程：热力学条件即过冷度AT 驱动力AGv动力学条件：克服能障十热力学能障界面自由能形核动力学能障激活自由能AG.长大若在体系内大范围进行，则需极大能量，所以靠起伏，先生核 主要克服热力学 能障，然后出现最小限度的过渡区“界面”，此界面逐渐向液相内推移长大（主要克服 动力学能障）。2、试述均质生核与非均质生核之间的区别与联系，并分别从临界晶核曲率半径、生核功两个方面阐述外来衬底的湿润能力对临界生核过冷度的影响。要满足纯金属非均质生核 的热力学要求，液态金属必须具备哪两个基本条件？答：（1） r * = r * = lc =lcTo相等均 非 AGL AT但V = 4兀r 3均3非均质生核所需体积小，即相起伏时的原子数少。均 3 L2 AT 2两种均需能量起伏克服生核功，但非均质生核能需较小。（3）右图看出9 Tt AT * T即：对r * : 9与AT *的影响.非4）生核功：f G AG * It 能量起伏 It AT I非5）纯金

2、属非均质生核的热力学条件：2br * =lc非 AGVAG6 竺厶f )非 3 L AT 2液态金属需具备条件（1）液态金属需过冷 （2）衬底存在。3、物质的熔点就是固、液两相平衡存在的温度、试从这个观点出发阐述式（43） 中 r *与AT之间关系的物理意义。答：式 43 r* = lc = lc 0均 AGLATV当T二T时，两相平衡；0当T （- In A）KTi取决于A （处于过冷状态，且相变驱动力克服V F F此能障）动力学能障： AGA5、从原子尺度看，决定固液面微观结构的条件是什么？各种界面结构与其生长机理和生长速度之间有何联系？它们的生长表面和生长防线各有什么特点？答：（ 1）Lr n )a 二9-kTIV丿热力学因素：ASmRa 2平整界面动力学因素：大：连续生长粗糙界面结构 一一非平衡时AT小:平整界面的生长平整界面结构k（2）粗糙界面：连续生长 R二u AT1kAT TTt连续生长 k完整平整界面：二维生核R二u eATk2非平整界面：螺旋生长，R = u AT 2。3k旋转单晶，反射单晶。（3）生长方向：”粗糙界面：各向同性的非晶体单晶等，生长方向与热流方向相平行

3、,Y 平整界面：密排线相交后的棱角方向生长表面:粗糙界面：因是各向同性，光滑的生长表面。、平整界面：棱角分明的密排小晶面，6、我们从什么尺度着眼讨论单晶合金的结晶过程的？它与结晶的原子过程以及最后的晶粒组织之间存在什么联系？答：1）从宏观尺度着眼讨论单相合金的结晶过程，主要是与“原子尺度”相区别的。2）与结晶的原子过程之间的关系：不同的结晶方式：平面生长-胞状生长-枝晶生长。 原子过程： 小面生长和非小面生长 。任何一种生长方式都可以是小面生长或非小面生长3）与最后的晶粒组织之间的联系。 平面生长：单晶或无分支的柱状晶组织。 胞状生长：胞状晶一一一簇为一些平行排列的亚结构。柱状枝晶生长：柱状枝晶。等轴枝晶生长（内生长）：等轴枝晶7、某二元合金相图如图所示。合金液成分为叫二40%，置于长瓷舟中并从左端开始凝固。B温度梯度达到足以使固一液界面保持平面生长。假设固相无扩散，液相均匀混合。试求：（1）a相与液相之间的平衡分配系数k ； （2）凝固后共晶体的数量占试棒长度的百分之几？ 0L 0 L L3 i 940.6 二 0.4f -0.5 n 二 f -2 n 二 f -i n f 二 二

4、44.4%L 2 L 4 L L 9. 共晶体占试棒长度的 44.4%(3) f 二 0C* 二 k C 二 0.5x40% 二 20%S S 0 0T=500CC* 二 30%S8、假设上题合金成分为wB = 10%。(1) 证明已凝固部分(f )的平均成分C S为CS = d1-(1 -fSSS fs(2) 当试棒凝固时，液体成分增高，而这又会降低液相线温度。证明液相线温度T与f之LS间关系为T二T + mC (1 - f ”。-1式中T为A的熔点，m为液相线倾率。L 00 S0(3)在相图上标出T分别为750C、700C、600C与500C下的固相平均成分。问试棒中L将有百分之几按共晶凝固？答：(1) Cs - f + CL- f 二 CS S L L 0CL = C* = C G - f h-1L L 0 S C f 广 C(1 - f 片-1 1 - f )= CCs=柑-fs 巧=切1 -ssWB 二10%C 二 0.10(2) T = T + mC = T + mC*L 0L 0L=T + mC 1 一 f X-100 sT = 750CLG - f )-0-5 = 2.

5、25Sf = 0.8SC = 6.9%S70030.897.56004.50.958.150060.978.62, C 二 10 C 二 600LT = 5C，咕 I7 二 O.03 二 3%，3% 按共晶结晶。_CCL = C * 二 C / k0_1， f 1-k0 二 O ， / =LL 0 LLC *LL9、固相无扩散，液相均匀混合。假设图PQ线是C （Tt时固相成分）与界面处固相成分C的S t S算数平均值。试证：C” = C（2-k ）S 0 0C + C 证明：C二CS十CS 02C” =2C -k CS 00 0二 C (2 - k )0010、何谓成分过冷判据？成分过冷的大小受哪些应诉的影响？它又是如何影响着晶体的生长 方式和结晶状态的？所有的生长方式都仅仅由成分过冷因素决定吗？ 答：（1）成分过冷判据Gl R 25TO-3 cms，多数金属在液相线温度下dl 1一5 Cm2 s ; Im|l。假设Ps = Pi，试分别求出下表中当co = 10%（质量分数，下同）、1%、0.01%以及 k = 0.4与0.1时的确保平面生长所必须的Gi值。考虑到铸锭或铸件中一般情况

6、下 Gl a， G RD klDkl 0l 0C = 10%0G -lG -10m(1 - 0.4)10-5 x 0.410m(1 - 0.1)x 2.5 x 10-3 = -3.75 x 103 ml10-5 x 0.1x 2.5 x10-3 =一2.25 一 104 mC =1%1xm(1-0.4)G x 2.5x 10-3 = -3.75x 102m110-5 x 0.41xm(1-0.4)G x 2.5 x 10-3 = -2.25 x 103 m110-5 x 0.1C = 0.010G1G10.01 x 10-2 x m(1 - 0.4)10-5 x 0.4x2.5x10-3 =-3.75m0.01 x10-2 x m(1 - 0.4)10-5 x 0.1x2.5x10-3 =-2.25m结论： k T-容易平面生长0 c J容易平面生长0n T -T J,越容易平面生长12一般铸造条件下很少平面生长。12、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关系？它们对共晶合金的结晶方式有何影响？答：（1）共生生长的基本条

7、件：a. 共晶两相应有相近的析出能力，原析出相在领先相得表面生核，从而便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，另一相得生核困难：偏离共晶成分，初晶相长的较大，另一相不易生核或 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）两相固-液界面结构分为：非小面非小面共晶合金：共生区对称 非小面小面共晶合金：非对称共生区，偏向非金属高熔点一侧；（4）非小面-非小面： 共面生长：层片状，棒状，碎片状，特殊：离异非小面-小面：可以共生生长，与以上不同：当生长界面在局部是不定的，固液界面参 差不齐，领先相的生长形态决定着共生两相的结构形态。产生封闭“晕圈”时，离异生长方式。13、小面-非小面共晶生长的最大特点是什么？它与变质处理之间的关系是什么？ 答：最大特点：小面相在共晶生长中的各向异性行为决定了共晶两相组织结构的基本特征。由于平整界面本身存在着各种不同的生长机理，故这

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