材料成型原理第五章答案

1、第五章1. 鑄件典型宏觀凝固組織是由哪幾部分構(gòu)成的，它們的形成機理如何 ? 答：鑄件的宏觀組織通常由激冷晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和內(nèi)部等軸晶區(qū)所組成。表面激冷區(qū)的形成： 當液態(tài)金屬澆入溫度較低的鑄型中時， 型壁附近熔體由 于受到強烈的激冷作用， 產(chǎn)生很大的過冷度而大量非均質(zhì)生核。 這些晶核在過冷 熔體中也以枝晶方式生長， 由于其結(jié)晶潛熱既可從型壁導(dǎo)出， 也可向過冷熔體中 散失，從而形成了無方向性的表面細等軸晶組織。柱狀晶區(qū)的形成： 在結(jié)晶過程中由于模壁溫度的升高， 在結(jié)晶前沿形成適當 的過冷度，使表面細晶粒區(qū)繼續(xù)長大（也可能直接從型壁處長出） ，又由于固 - 液界面處單向的散熱條件（垂直于界面方向） ，

2、處在凝固界面前沿的晶粒在垂直 于型壁的單向熱流的作用下， 以表面細等軸晶凝固層某些晶粒為基底， 呈枝晶狀 單向延伸生長，那些主干取向與熱流方向相平行的枝晶優(yōu)先向內(nèi)伸展并抑制相鄰 枝晶的生長，在淘汰取向不利的晶體過程中，發(fā)展成柱狀晶組織。內(nèi)部等軸晶的形成： 內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成是由于熔體內(nèi)部晶核自由生長的結(jié) 果。隨著柱狀晶的發(fā)展， 熔體溫度降到足夠低， 再加之金屬中雜質(zhì)等因素的作用， 滿足了形核時的過冷度要求， 于是在整個液體中開始形核。 同時由于散熱失去了 方向性，晶體在各個方向上的長大速度是相等的，因此長成了等軸晶。2. 試分析溶質(zhì)再分配對游離晶粒的形成及晶粒細化的影響 。 答：對于純金屬在冷

3、卻結(jié)晶時候沒有溶質(zhì)再分配，所以在其沿型壁方向晶體迅 速長大，晶體與晶體之間很快能夠連接起來形成凝固殼。 當形成一個整體的凝 固殼時，結(jié)晶體再從型壁處游離出來就很困難了。 但是如果向金屬中添加溶質(zhì)， 則在晶體與型壁的交匯處將會形成溶質(zhì)偏析， 溶質(zhì)的偏析容易使晶體在與型壁 的交會處產(chǎn)生“脖頸”， 具有“脖頸”的晶體不易于沿型壁方向與其相鄰晶體 連接形成凝固殼 , 另一方面，在澆注過程和凝固初期存在的對流容易沖斷“脖 頸”，使晶體脫落并游離出去， 形成游離晶。 一些游離晶被保留下來并發(fā)生晶 體增殖，成為等軸晶的核心，形成等軸晶，從而起到細化晶粒的作用。3. 液態(tài)金屬中的流動是如何產(chǎn)生的，流動對內(nèi)部等

4、軸晶的形成及細化有何影響 答：澆注完畢后，凝固開始階段，在型壁處形成的晶體，由于其密度或大于母液 或小于母液會產(chǎn)生對流，此外型壁處和鑄件心部的熔體溫度差也可造成對流， 從而使熔體流動。依靠熔體的流動可將型壁處產(chǎn)生的晶體脫落且游離到鑄件的 內(nèi)部，并發(fā)生增殖，從而為形成等軸晶提供核心，有利于等軸晶的形成，并細 化組織。4. 常用生核劑有哪些種類，其作用條件和機理如何 ? 答：生核劑主要有兩類：一類是起非自發(fā)形核作用；另一類是通過在生長界 面前沿的成分富集而使晶粒根部和樹枝晶分枝根部產(chǎn)生縮頸， 促進枝晶熔斷和游 離而細化晶粒。作用條件及機理：（1）對于第一類生核劑可以從三個方面來理解。 第一種情況是

5、孕育劑含有直接作為非自發(fā)生核的物質(zhì)，即一些與欲細化相具 有界面共格對應(yīng)的高熔點物質(zhì)或同類金屬微小顆粒。它們在液態(tài)金屬中可直接作為欲細化相的有效襯底而促進非均質(zhì)生核。第二種情況， 孕育劑能與液相中某些元素 （ 最好是欲細化相的原子 ）反應(yīng)生成 較穩(wěn)定的化合物而產(chǎn)生非自發(fā)生核。 此化合物應(yīng)與欲細化相具有界面共格對應(yīng)關(guān) 系而能促進非均質(zhì)生核。第三種情況，通過在液相中造成很大的微區(qū)富集而迫使結(jié)晶相提前彌散析出而 生核。（2）對于第二類生核劑，它的作用在于使枝晶產(chǎn)生更細的脖頸，其結(jié)果必然導(dǎo) 致結(jié)晶更易于游離。這種晶粒細化劑之所以使枝晶脖頸更細，主要是溶質(zhì)的偏析造 成的，在凝固過程中由于溶質(zhì)在枝晶側(cè)向的偏

6、析，使此處的過冷度減少，從而使晶 體的長大受到抑制而產(chǎn)生細的脖頸。5. 試分析影響鑄件宏觀凝固組織的因素，列舉獲得細等軸晶的常用方法。 答：鑄件的三個晶區(qū)的形成是相互聯(lián)系相互制約的，穩(wěn)定凝固殼層的形成決定 著表面細晶區(qū)向柱狀晶區(qū)的過度， 而阻止柱狀晶區(qū)的進一步發(fā)展的關(guān)鍵則是中心 等軸晶區(qū)的形成， 因此凡能強化熔體獨立生核， 促進晶粒游離， 以及有助于游離 晶的殘存與增殖的各種因素都將抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展， 從而擴大等軸晶區(qū) 的范圍，并細化等軸晶組織。細化等軸晶的常用方法： （1） 合理的澆注工藝：合理降低澆注溫度是減少 柱狀晶、獲得及細化等軸晶的有效措施； 通過改變澆注方式強化對流對型壁激

7、冷 晶的沖刷作用，能有效地促進細等軸晶的形成； （2）冷卻條件的控制：對薄壁鑄 件，可采用高蓄熱、快熱傳導(dǎo)能力的鑄型；對厚壁鑄件，一般采用冷卻能力小的 鑄型以確保等軸晶的形成， 再輔以其它晶粒細化措施以得到滿意的效果； （ 3）孕 育處理：影響生核過程和促進晶粒游離以細化晶粒。 （4）動力學細化：鑄型振動 ; 超聲波振動 ; 液相攪拌 ; 流變鑄造，導(dǎo)致枝晶的破碎或與鑄型分離， 在液相中形成 大量結(jié)晶核心，達到細化晶粒的目的。6. 何謂“孕育衰退”，如何防止 ?答：孕育衰退是指孕育效果逐漸減弱的現(xiàn)象。孕育效果不僅取決于孕育劑的 本身，而且也與孕育處理工藝密切相關(guān)。一般處理溫度越高，孕育衰退越快

8、，在 保證孕育劑均勻散開的前提下， 應(yīng)盡量降低處理溫度。 孕育劑的粒度也要根據(jù)處 理溫度、被處理合金液量和具體的處理方法來選擇。7. 試述焊接熔池中金屬凝固的特點。 答：熔焊時，在高溫熱源的作用下，母材發(fā)生局部熔化，并與熔化了的焊接 材料相互混合形成熔池， 同時進行短暫而復(fù)雜的冶金反應(yīng)。 當熱源離開后， 熔池 金屬便開始了凝固。因此，焊接熔池具有以下一些特殊性。 （ 1）熔池金屬的體積 小，冷卻速度快。在一般電弧焊條件下，熔池的體積最大也只有30cm3 ，冷卻速度通常可達4100C/s ,。（2）熔池金屬中不同區(qū)域溫差很大、中心部位過熱溫 度最高。熔池金屬中溫度不均勻， 且過熱度較大， 尤其是

9、中心部位過熱溫度最高， 非自發(fā)形核的原始質(zhì)點數(shù)將大為減少。 （ 3）動態(tài)凝固過程。一般熔焊時，熔池是 以一定的速度隨熱源而移動。 （4）液態(tài)金屬對流激烈。 熔池中存在許多復(fù)雜的作 用力，使熔池金屬產(chǎn)生強烈的攪拌和對流， 在熔池上部其方向一般趨于從熔池頭 部向尾部流動， 而在熔池底部的流動方向與之正好相反， 這一點有利于熔池金屬 的混和與純凈。8. 討論分析影響焊接彎曲柱狀晶形態(tài)的因素。哪種形態(tài)的柱狀晶最易于產(chǎn)生焊 接縱向裂紋？答：由于在焊接熔池中，晶體的生長線速度 R與焊接速度u之間存在以下關(guān)系： R二u cos?式中宇一晶粒生長方向與熔池移動方向之間的夾角。在熔池液相等溫線上各點的？角是變化的，說明晶粒成長的方向和線速度 都是變化的。在熔合區(qū)上晶粒開始成長的瞬時，7 =90o,cos-0 ,晶粒生長線 速度為零，即焊縫邊緣的生長速度最慢。而在熱源移動后面的焊縫中心， =0°,coS “，晶粒生長速度與焊接速度相等，生長最快。一般情況下，由 于等溫線是彎曲的，其曲線上各點的法線方向不斷地改變，因此晶粒生長的有利方向也隨之變化，形成了特有的彎曲柱狀晶的形