第二章-純金屬的結(jié)晶(金屬學(xué)與熱處理崔忠圻課后答案)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上金屬學(xué)與熱處理第二版（崔忠圻）答案第二章 純金屬的結(jié)晶2-1 a）試證明均勻形核時(shí)，形成臨界晶粒的Gk與其體積V之間關(guān)系式為Gk=VGv/2b）當(dāng)非均勻形核形成球冠狀晶核時(shí)，其Gk與V之間的關(guān)系如何？答：2-2 如果臨界晶核是邊長為a的正方體，試求出Gk和a之間的關(guān)系。為什么形成立方體晶核的Gk比球形晶核要大。答：2-3 為什么金屬結(jié)晶時(shí)一定要由過冷度？影響過冷度的因素是什么？固態(tài)金屬熔化時(shí)是否會出現(xiàn)過熱？為什么？答：金屬結(jié)晶時(shí)需過冷的原因：如圖所示，液態(tài)金屬和固態(tài)金屬的吉布斯自由能隨溫度的增高而降低，由于液態(tài)金屬原子排列混亂程度比固態(tài)高，也就是熵值比固態(tài)高，所以液相

2、自由能下降的比固態(tài)快。當(dāng)兩線相交于Tm溫度時(shí)，即Gs=Gl，表示固相和液相具有相同的穩(wěn)定性，可以同時(shí)存在。所以如果液態(tài)金屬要結(jié)晶，必須在Tm溫度以下某一溫度Tn，才能使GsGl，也就是在過冷的情況下才可自發(fā)地發(fā)生結(jié)晶。把Tm-Tn的差值稱為液態(tài)金屬的過冷度影響過冷度的因素：金屬材質(zhì)不同，過冷度大小不同；金屬純度越高，則過冷度越大；當(dāng)材質(zhì)和純度一定時(shí)，冷卻速度越大，則過冷度越大，實(shí)際結(jié)晶溫度越低。固態(tài)金屬熔化時(shí)是否會出現(xiàn)過熱及原因：會。原因：與液態(tài)金屬結(jié)晶需要過冷的原因相似，只有在過熱的情況下，GlGs，固態(tài)金屬才會發(fā)生自發(fā)地熔化。2-4 試比較均勻形核和非均勻形核的異同點(diǎn)。答：相同點(diǎn)：形核驅(qū)動(dòng)

3、力都是體積自由能的下降，形核阻力都是表面能的增加。具有相同的臨界形核半徑。所需形核功都等于所增加表面能的1/3。不同點(diǎn)：非均勻形核的Gk小于等于均勻形核的Gk，隨晶核與基體的潤濕角的變化而變化。非均勻形核所需要的臨界過冷度小于等于均勻形核的臨界過冷度。兩者對形核率的影響因素不同。非均勻形核的形核率除了受過冷度和溫度的影響，還受固態(tài)雜質(zhì)結(jié)構(gòu)、數(shù)量、形貌及其他一些物理因素的影響。2-5 說明晶體生長形狀與溫度梯度的關(guān)系。答：液相中的溫度梯度分為：正溫度梯度：指液相中的溫度隨至固液界面距離的增加而提高的溫度分布情況。負(fù)溫度梯度：指液相中的溫度隨至固液界面距離的增加而降低的溫度分布情況。固液界面的微觀

4、結(jié)構(gòu)分為：光滑界面：從原子尺度看，界面是光滑的，液固兩相被截然分開。在金相顯微鏡下，由曲折的若干小平面組成。粗糙界面：從原子尺度看，界面高低不平，并存在著幾個(gè)原子間距厚度的過渡層，在過渡層中，液固兩相原子相互交錯(cuò)分布。在金相顯微鏡下，這類界面是平直的。晶體生長形狀與溫度梯度關(guān)系：在正溫度梯度下：結(jié)晶潛熱只能通過已結(jié)晶的固相和型壁散失。光滑界面的晶體，其顯微界面（顯微鏡下觀察到的界面）-晶體學(xué)小平面與熔點(diǎn)等溫面成一定角度，這種情況有利于形成規(guī)則幾何形狀的晶體，固液界面通常呈鋸齒狀。粗糙界面的晶體，其顯微界面平行于熔點(diǎn)等溫面，與散熱方向垂直，所以晶體長大只能隨著液體冷卻而均勻一致地向液相推移，呈平

5、面長大方式，固液界面始終保持近似地平面。在負(fù)溫度梯度下：具有光滑界面的晶體：如果杰克遜因子不太大，晶體則可能呈樹枝狀生長；當(dāng)杰克遜因子很大時(shí)，即時(shí)在較大的負(fù)溫度梯度下，仍可能形成規(guī)則幾何形狀的晶體。具有粗糙界面的晶體呈樹枝狀生長。樹枝晶生長過程：固液界面前沿過冷度較大，如果界面的某一局部生長較快偶有突出，此時(shí)則更加有利于此突出尖端向液體中的生長。在尖端的前方，結(jié)晶潛熱散失要比橫向容易，因而此尖端向前生長的速度要比橫向長大的速度大，很塊就長成一個(gè)細(xì)長的晶體，稱為主干。這些主干即為一次晶軸或一次晶枝。在主干形成的同時(shí)，主干與周圍過冷液體的界面也是不穩(wěn)的的，主干上同樣會出現(xiàn)很多凸出尖端，它們會長大成

6、為新的枝晶，稱為稱為二次晶軸或二次晶枝。二次晶枝發(fā)展到一定程度，又會在它上面長出三次晶枝，如此不斷地枝上生枝的方式稱為樹枝狀生長，所形成的具有樹枝狀骨架的晶體稱為樹枝晶，簡稱枝晶。2-6 簡述三晶區(qū)形成的原因及每個(gè)晶區(qū)的特點(diǎn)。答：三晶區(qū)的形成原因及各晶區(qū)特點(diǎn)：一、表層細(xì)晶區(qū)形成原因：當(dāng)高溫金屬液體與鑄型接觸后，由于型壁強(qiáng)烈的吸熱和散熱作用，使靠近型壁的薄層金屬液體產(chǎn)生極大的過冷度，加上型壁可以作為非均勻形核的基底，因此在此薄層金屬液體中產(chǎn)生大量的晶核，并同時(shí)向各個(gè)方向生長。由于晶核數(shù)目多，相鄰的晶粒很快彼此相遇，相互阻礙，不能繼續(xù)生長，這樣便在靠近型壁處形成一層很薄的細(xì)小等軸晶區(qū)，又稱激冷等軸

7、晶區(qū)。晶區(qū)特點(diǎn)：該晶區(qū)晶粒十分細(xì)小，組織致密，力學(xué)性能好，但厚度較薄，只有幾個(gè)毫米厚。二、柱狀晶區(qū)形成原因：在表層細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí)，一方面型壁的溫度被高溫金屬液體和細(xì)晶區(qū)所釋放的結(jié)晶潛熱加熱而迅速升高，另一方面由于金屬凝固后的收縮，使細(xì)晶區(qū)和型壁脫離，形成一層空氣層，以上都給液體金屬的散熱造成困難，使液體金屬冷卻減慢，溫度梯度變得平緩。此時(shí)，固液界面前沿過冷度減小，無法滿足形核的條件，不能形成新的晶核，結(jié)晶只能依靠靠近液相的某些小晶粒繼續(xù)長大來進(jìn)行，由于垂直于型壁的方向散熱最快，因此晶體沿其反方向擇優(yōu)生長，晶體在向液體中生長的同時(shí)，側(cè)面受到彼此的限制而不能生長，因此只能沿散熱方向的反方向生長，

8、從而形成柱狀晶區(qū)。晶區(qū)特點(diǎn)：1. 生長方向相同的柱狀晶晶粒彼此間的界面比較平直，組織比較致密。2. 柱狀晶存在明顯的弱面。當(dāng)沿不同方向生長的柱狀晶相遇時(shí)，會形成柱狀晶界，此處雜質(zhì)、氣泡、縮孔聚集，力學(xué)性能較弱。3. 力學(xué)性能呈方向性。三、中心等軸晶形成原因：隨著柱狀晶的發(fā)展，經(jīng)過散熱，鑄型中心部位的液態(tài)金屬的溫度全部降到熔點(diǎn)以下，再加上液態(tài)金屬中雜質(zhì)等因素的作用，滿足了形核對過冷度的要求，于是在整個(gè)液態(tài)金屬中同時(shí)形核。由于此時(shí)散熱已經(jīng)失去方向性，晶核在液體中可以自由生長，且在各個(gè)方向上的長大速度相近，當(dāng)晶體長大至彼此相遇時(shí)，全部液態(tài)金屬凝固完畢，即形成明顯的中心等軸區(qū)。晶區(qū)特點(diǎn)：此晶區(qū)晶粒長大

9、時(shí)彼此交叉，枝叉間的搭接牢固，裂紋不易擴(kuò)展。該晶區(qū)晶粒較大，樹枝晶發(fā)達(dá)，因此顯微縮孔較多，力學(xué)性能較差。2-7 為了得到發(fā)達(dá)的柱狀晶區(qū)應(yīng)該采取什么措施？為了得到發(fā)達(dá)的等軸晶區(qū)應(yīng)該采取什么措施？其基本原理如何？答：得到柱狀晶區(qū)的措施及其原理：1. 提高液態(tài)金屬過熱度。增大固液界面前沿液態(tài)金屬的溫度梯度，有利于增大柱狀晶區(qū)。2. 選擇散熱能力好的鑄型材料或增加鑄型的厚度，增強(qiáng)鑄型的冷卻能力。增大已結(jié)晶固體的溫度梯度，使固液界面前沿液態(tài)金屬始終保持著定向散熱，有利于增加柱狀晶區(qū)。3. 提高澆注速度，增大固液界面前沿液態(tài)金屬的溫度梯度。4. 提高熔化溫度。減少非金屬夾雜物數(shù)量，非均勻形核數(shù)目少，減少了

10、在固液界面前沿形核的可能性。得到等軸晶區(qū)的措施及其原理：1. 降低液態(tài)金屬過熱度。減小固液界面前沿液態(tài)金屬的溫度梯度，有利于縮小柱狀晶區(qū)，增大中心等軸晶區(qū)。2. 選擇散熱能力一般的鑄型，降低鑄型的冷卻速度。減弱已結(jié)晶固體的溫度梯度，減弱液態(tài)金屬定向散熱的趨勢，可以縮小柱狀晶區(qū)，增大中心等軸晶區(qū)。3. 降低熔化溫度。增加液態(tài)金屬中廢金屬夾雜物的數(shù)目，非均勻形核數(shù)目多，增加了在固液界面前沿形核的可能性4. 降低澆注速度，可以降低固液界面前沿液態(tài)金屬的溫度梯度。2-8 指出下列錯(cuò)誤之處，并改正之。1）所謂臨界晶核，就是體積自由能的減少完全補(bǔ)償表面自由能增加時(shí)的晶胚大小。2）在液態(tài)金屬中，凡是涌現(xiàn)出小于臨界晶核半徑的晶胚都不能形核，但是只要有足夠的能量起伏提供形核功，還是可以形核。3）無論溫度分布如何，