西工大凝固技术选修课作业详解.docx

1.凝固过程中有哪几类重要的传输过程？他们是如何影响凝固过程的？如何有效控制这些传输过程？答：凝固过程中包括热量传输、质量传输和动量传输；凝固过程的传热符合传热的普遍规律，包括传导、对流及辐射三种基本传热方式，但同时也具有自身的一些特点。首先它是一个有热源的传热过程。金属凝固时释放潜热，可以看成是一个热源释放的热，且这个热源位置在不断地移动。其次，在金属凝固时存在着两个界面，即固液界面和金属-铸型间界面，在这些界面上，会发生极为复杂的传热现象。质量传输包括扩散传质、对流传质、相间传质。若溶质再分配过程不能充分完成，扩散不均匀，则产生成分偏析，金属凝固结束后，各处成分不完全相同。动量传输即为液态金属的流动，包括动量对流和自然对流。当对流达到紊流程度时，会冲刷枝晶壁造成晶粒繁殖，促使等轴晶的发展，特别是溶质浓度较高的合金容易借助流动形成等轴晶。2.试述等轴晶的形核机理，给出主要的晶粒细化方法和相应的工艺过程。答：等轴晶形核的机理有：a、型壁上形核按照大野笃美的机理游离；b、固液两相区的枝晶被熔断并被液流带入液相区；c、自由表面凝固形成“晶雨”；游离晶的形成:液态金属在铸型型壁的激冷作用下发生了两种变化1、在型壁上形成晶核；2、液态金属因冷却收缩而发生流动。生长中的晶核在液流作用下从型壁脱落进入液相区。枝晶熔断：枝晶生长过程中由于根部溶质的富集产生“缩颈”并熔断、脱落；在没有强制对流的条件下，大量被熔断枝晶的形成与漂移均与侧向生长的两相区中枝晶的流动密切相关；表面凝固和“晶雨”的形成:表面凝固取决于熔体的凝固温度与环境之差。表面凝固必须具备的形核条件与内生生核相似，需较大的过冷度。当合金温度与环境温度之差较大时，表面获得所需要的过冷度而发生形核长大。液相的流动和表面的扰动会使表面形成的晶核下落形成”晶雨”。晶粒细化的方法：a、添加晶粒细化剂，即向液态金属中引入大量形核能力很强的易帜晶核，达到细化晶粒的目的；b、添加阻止生长剂以降低晶核的长大速度，使形核数量相对提高，获得细小的等轴组织；c、采用机械搅拌、电磁搅拌、铸型振动等力学方法，使枝晶折断、破碎，使晶粒数量增多，尺寸减小；d、提高冷却速度使液态金属获得大过冷度，增加形核速率；e、去除液相中的异质晶核，抑制低过冷度下的形核，使合金获得很大过冷度，并在大过冷度下突然大量形核，获得细小等轴组织。3.凝固偏析大体分为宏观偏析和微观偏析，他们分别是如何形成的？如何控制和减少凝固偏析？答：微观偏析是枝晶凝固的必然产物。假定凝固过程中的固相扩散可以忽略，则凝固过程的任何时刻液固界面附近固相一侧的成分被保留在最终的凝固组织中形成枝晶形式的等浓度面。因此等浓度面可以标记凝固界面的进程。并且，影响微观偏析的只要因素有：1）凝固速率,随局部凝固时间的增大，非平衡相的析出量减小，即偏析减轻。2）合金元素的固相扩散系数。合金元素的固相扩散系数越大，凝固过程的扩散越充分，该元素的偏析也就越轻。3）合金元素的液相扩散系数，液相扩散系数越大，液相中的合金元素能够在枝晶间充分扩散。宏观偏析：平界面定向凝固过程中偏析的形成是由扩散过程决定的。在无液相流动的条件下，随着凝固速率的加快，凝固界面前液相中溶质富集区内溶质分布向稳态的逼近速度加快。因而，快速凝固有利于缩小偏析区。并且枝晶凝固组织中的偏析分布不仅与扩散过程相关，也受液相流动过程的控制。由于溶质的再分配，枝晶间液相中的溶质质量分数不同于平均溶质质量分数。这些液体的流动将导致溶质质量分数在宏观尺度上的不均匀，形成宏观偏析。因此通过控制凝固速度和液相流动过程可以控制宏观偏析。4.详述固液界面形态选择的成分过冷理论和绝对稳定理论的基本内容，请给出相关理论推导及重要推论？答：成分过冷理论：当一种合金冷却下来，由于溶质在固相和液相中的分配因数不同，溶质原子随着凝固的进行，被排挤到液相中去。在固液界面液相一侧堆积着溶质原子，随着离开固液界面距离的增大，溶质质量分数逐渐降低。在固液界面的一侧液相中的溶质原子浓度梯度应为:式中 R—生长速率；—液相溶质质量分数；—温度下的平衡溶质质量分数；—溶质液相扩散系数；；k—溶质分配因数。当界面处于平衡时，式中—合金液的液相线温度；—合金系的液相线斜率。如果没有过冷界面液相中的实际温度梯度应等于或大于，≥或 再稳态对流条件下，等于，即上式变为：绝对稳定理论：Mullins和Sekerka鉴于成分过冷理论存在的不足，提出一个考虑了溶质浓度场和温度场、固液界面能以及界面动力学的新理论。在运算时，假定固液界面处于平衡，表面能为各向同性、无对流，在平的固液界面上有干扰。其界面温度为，式中 —界面液相温度；—界面固相温度；—平面凝固界面的熔点；—Gibbs-Thomson数；k—曲率，曲面凹向液相时为正。绝对稳定理论推导界面失稳公式为，式中