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《材料成型基本原理》刘全坤版_第五章答案
第五章 铸件与焊缝宏观组织及其控制
1.铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的,它们的形成机理如何?
答:铸件的宏观组织通常由激冷晶区、柱状晶区和内部等轴晶区所组成。
表面激冷区的形成:当液态金属浇入温度较低的铸型中时,型壁附近熔体由
于受到强烈的激冷作用,产生很大的过冷度而大量非均质生核。这些晶核在过冷
熔体中也以枝晶方式生长,由于其结晶潜热既可从型壁导出,也可向过冷熔体中
散失,从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。
柱状晶区的形成:在结晶过程中由于模壁温度的升高,在结晶前沿形成适当
的过冷度,使表面细晶粒区继续长大(也可能直接从型壁处长出),又由于固-
液界面处单向的散热条件(垂直于界面方向),处在凝固界面前沿的晶粒在垂直
于型壁的单向热流的作用下,以表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底,呈枝晶状
单向延伸生长,那些主干取向与热流方向相平行的枝晶优先向内伸展并抑制相邻
枝晶的生长,在淘汰取向不利的晶体过程中,发展成柱状晶组织。
内部等轴晶的形成:内部等轴晶区的形成是由于熔体内部晶核自由生长的结
果。随着柱状晶的发展,熔体温度降到足够低,再加之金属中杂质等因素的作用,
满足了形核时的过冷度要求,于是在整个液体中开始形核。同时由于散热失去了
方向性,晶体在各个方向上的长大速度是相等的,因此长成了等轴晶。
2.试分析溶质再分配对游离晶粒的形成及晶粒细化的影响 。
答:对于纯金属在冷却结晶时候没有溶质再分配,所以在其沿型壁方向晶体迅
速长大,晶体与晶体之间很快能够连接起来形成凝固壳。当形成一个整体的凝
固壳时,结晶体再从型壁处游离出来就很困难了。但是如果向金属中添加溶质,
则在晶体与型壁的交汇处将会形成溶质偏析,溶质的偏析容易使晶体在与型壁
的交会处产生“脖颈”,具有“脖颈”的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体
连接形成凝固壳, 另一方面,在浇注过程和凝固初期存在的对流容易冲断“脖
颈”,使晶体脱落并游离出去,形成游离晶。一些游离晶被保留下来并发生晶
体增殖,成为等轴晶的核心,形成等轴晶,从而起到细化晶粒的作用。
3.液态金属中的流动是如何产生的,流动对内部等轴晶的形成及细化有何影响?
答:浇注完毕后,凝固开始阶段,在型壁处形成的晶体,由于其密度或大于母液
或小于母液会产生对流,此外型壁处和铸件心部的熔体温度差也可造成对流,
从而使熔体流动。依靠熔体的流动可将型壁处产生的晶体脱落且游离到铸件的
内部,并发生增殖,从而为形成等轴晶提供核心,有利于等轴晶的形成,并细
化组织。
4.常用生核剂有哪些种类,其作用条件和机理如何?
答:生核剂主要有两类:一类是起非自发形核作用;另一类是通过在生长界
面前沿的成分富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生缩颈,促进枝晶熔断和游
离而细化晶粒。
作用条件及机理:
(1)对于第一类生核剂可以从三个方面来理解。
第一种情况是孕育剂含有直接作为非自发生核的物质,即一些与欲细化相具
有界面共格对应的高熔点物质或同类金属微小颗粒。它们在液态金属中可直接作
为欲细化相的有效衬底而促进非均质生核。
第二种情况,孕育剂能与液相中某些元素(最好是欲细化相的原子)反应生成
较稳定的化合物而产生非自发生核。此化合物应与欲细化相具有界面共格对应关
系而能促进非均质生核。
第三种情况,通过在液相中造成很大的微区富集而迫使结晶相提前弥散析出而
生核。
(2)对于第二类生核剂,它的作用在于使枝晶产生更细的脖颈,其结果必然导
致结晶更易于游离。这种晶粒细化剂之所以使枝晶脖颈更细,主要是溶质的偏析造
成的,在凝固过程中由于溶质在枝晶侧向的偏析,使此处的过冷度减少,从而使晶
体的长大受到抑制而产生细的脖颈。
5.试分析影响铸件宏观凝固组织的因素,列举获得细等轴晶的常用方法。
答:铸件的三个晶区的形成是相互联系相互制约的,稳定凝固壳层的形成决定
着表面细晶区向柱状晶区的过度,而阻止柱状晶区的进一步发展的关键则是中心
等轴晶区的形成,因此凡能强化熔体独立生核,促进晶粒游离,以及有助于游离
晶的残存与增殖的各种因素都将抑制柱状晶区的形成和发展,从而扩大等轴晶区
的范围,并细化等轴晶组织。
细化等轴晶的常用方法:(1) 合理的浇注工艺:合理降低浇注温度是减少
柱状晶、获得及细化等轴晶的有效措施;通过改变浇注方式强化对流对型壁激冷
晶的冲
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