材料成型原理第四章答案

1 第四章第四章 1 何谓结晶过程中的溶质再分配何谓结晶过程中的溶质再分配 它是否仅由平衡分配系数它是否仅由平衡分配系数 K0所决定所决定 当相图当相图 上的液相线和固相线皆为直线时 试证明上的液相线和固相线皆为直线时 试证明 K0为一常数 为一常数 答 结晶过程中的溶质再分配 答 结晶过程中的溶质再分配 是指在结晶过程中溶质在液 固两相重新分布 的现象 溶质再分配不仅由平衡分配系数 K0决定 还受自身扩散性质的制约 液 相中的对流强弱等因素也将影响溶质再分配 当相图上的液相线和固相线皆为直线时 K0为一常数 证明如下 如右图所 示 液相线及固相线为直线 假设 其斜率分别为mL及 mS 虽然 C C 随温度变化有不同值 但 S L 常数 Lm Sm L S mTT mTT C C K 0 S L m m 此时 K0与温度及浓度无关 所以 当液相线和固相线为直 线时 不同温度和浓度下 K0为 定值 2 某二元合金相图如右所示 合金液成分为某二元合金相图如右所示 合金液成分为 CB 40 置于长瓷舟中并从左端 置于长瓷舟中并从左端 开始凝固 温度梯度大到足以使固开始凝固 温度梯度大到足以使固 液界面保持平面生长 假设固相无扩散 液界面保持平面生长 假设固相无扩散 液相均匀混合 试求 液相均匀混合 试求 相与液相之间的平衡分配系数相与液相之间的平衡分配系数 K0 凝固后共凝固后共 晶体的数量占试棒长度的百分之几晶体的数量占试棒长度的百分之几 凝固后的试棒中溶质凝固后的试棒中溶质 B B 的浓度沿试棒的浓度沿试棒 长度的分布曲线 长度的分布曲线 解解 1 平衡分配系数平衡分配系数 K0 的求解 的求解 由于液相线及固相线均为直线 不同温度和浓度下 K0为 定值 所以 如右图 当 T 500 时 K0 0 5 L C C 60 30 K0即为所求 相与液相之间 的 平衡分配系数 2 凝固后共晶体的数量占试棒长凝固后共晶体的数量占试棒长度的百分数的计算度的百分数的计算 由固相无扩散液相均匀混合下溶质再分配的正常偏析方程 图 4 43 二元合金相图 K0 1 C0K0 C0 K0 T C S C L C0 C T T Tm m 2 1 0 0 K LL fCC 代入已知的 60 K0 0 5 C0 CB 40 L C 可求出此时的 44 4 L f 由于 T 500 为共晶转变温度 所以此时残留的液相最终都将转变为共晶组 织 所以凝固后共晶体的数量占试棒长度的百分数也即为 44 4 3 凝固后的试棒中溶质 B 的浓度沿试棒长度的分布曲线 并注明各特征成分 及其位置 如下 60 30 20 56 3 在固相无扩散而液相仅有扩散凝固条件下 分析凝固速变大 在固相无扩散而液相仅有扩散凝固条件下 分析凝固速变大 R1 R2 且且 R2 R1 时时 固固相相成成分分的的变变化化情情况况 以以及及溶溶质质富富集集层层的的变变化化情情况况 答答 在固相无扩散而液相仅有扩散条件下凝固速度变大时 1 固相成分将发生下列变化固相成分将发生下列变化 当凝固速度增大时 固液界面前沿的液相 和固相都将经历 稳定态 不稳定态 稳定态的过程 如右图所示 当R2 R1时 在新 旧稳定状态之间 CS C0 重新 恢复到稳定时 CS又回到C0 R2上升 越多 越大 不稳定区内CS越高 12 RR 2 溶质富集层的变化情况如下溶质富集层的变化情况如下 在其它条件不变的情况下 R 越大 在 固 液界面前沿溶质富集越严重 曲线 越陡峭 如右图所示 R2越大 富集层高度 C 越大 过渡 区时间 t 越长 过渡区间也就越 R2 R1 R2 R1 R2 R1 3 宽 在新的稳定状态下 富集区的面 积将减小 4 A B 二元合金原始成分为二元合金原始成分为 C0 CB 2 5 K0 0 2 5 自左向右单向凝 自左向右单向凝 L m 固 固 固相无扩散而液相仅有扩散 固相无扩散而液相仅有扩散 DL 3 10 5cm2 s 达到稳定态凝固时 达到稳定态凝固时 求求 1 固固 液界面的液界面的 LS CC 和 2 固固 液界面保持平整界面的条件 液界面保持平整界面的条件 解解 1 求固求固 液界面的液界面的 LS CC 和 由于固相中无扩散而液相中仅有限扩散的情况下达到稳定状态时 满足 C S C0 0 0 K C CL 代入 C0 CB 2 5 K0 0 2 即可得出 12 5 0 0 K C CL 2 0 5 2 C S C0 2 5 2 固固 液界面保持平整界面的条件液界面保持平整界面的条件 当存在 成分过冷 时 随着的 成分过冷 的增大 固溶体生长方式 将 经历 胞状晶 柱状树枝晶 内部等轴晶 自由树枝晶 的转变过程 所以 只有当不 发生成分过冷时 固 液界面才可保持平整界面 即需满足 R GL 0 00 1 K K D Cm L L 代入 5 C0 CB 2 5 DL 3 10 5cm2 s K0 0 2 L m 可得出 1 67 104 cm2s即为所求 R GL 5 在同一幅图中表示第一节描述的四种方式的凝固过程中溶质再分配条件下在同一幅图中表示第一节描述的四种方式的凝固过程中溶质再分配条件下 固相成分的分布曲线 固相成分的分布曲线 答答 四种方式凝固过程中溶质再分配条件下固相成分的分布曲线四种方式凝固过程中溶质再分配条件下固相成分的分布曲线 单向凝固时铸棒内溶质的分布单向凝固时铸棒内溶质的分布 4 6 论述成分过冷与热过冷的涵义以及它们之间的区别和联系论述成分过冷与热过冷的涵义以及它们之间的区别和联系 成分过冷的涵义成分过冷的涵义 合金在不平衡凝固时 使液固界面前沿的液相中形成溶质富 集层 因富集层中各处的合金成分不同 具有不同的熔点 造成液固前沿的液相处 于不同的过冷状态 这种由于液固界面前沿合金成分不同造成的过冷 热过冷的涵义热过冷的涵义 界面液相侧形成的负温度剃度 使得界面前方获得大于 的过冷度 kT 成分过冷与热过冷的区别成分过冷与热过冷的区别 热过冷热过冷是由于液体具有较大的过冷度时 在界面向前推移的情况下 结晶 潜热的释放而产生的负温度梯度所形成的 可出现在纯金属或合金的凝固过程 中 一般都生成树枝晶 成分过冷成分过冷是由溶质富集所产生 只能出现在合金的凝固过程中 其产生的晶体 形貌随成分过冷程度的 不同而不同 当过冷程度 增大时 固溶体生长方式由无成 分过 冷时的 平面晶 依次发展为 胞状晶 柱状树枝晶 内部等轴晶 自由树枝 晶 成分过冷与热过冷的联系成分过冷与热过冷的联系 对于合金凝固 当出现 热过冷 的影响时 必然受 成分过冷 的影响 而且后者往往更为重要 即使液相一侧不出现负的温度梯度 由于溶质再分配 引起界面前沿的溶质富集 从而导致平衡结晶温度的变化 在负温梯下 合金 的情况与纯金属相似 合金固溶体结晶易于出现树枝晶形貌 7 何为成分过冷判据何为成分过冷判据 成分过冷的大小受哪些因素的影响成分过冷的大小受哪些因素的影响 答答 成分过冷成分过冷 判据为判据为 R GL N L D R L L L e K K D Cm 0 0 1 1 当 液相只有有限扩散 时 N 代入上式后得 0 CCL R GL 0 00 1 K K D Cm L L 其中 GL 液相中温度梯度 R 晶体生长速度 mL 液相线斜率 C0 原始成分浓度 DL 液相中溶质扩散系数 K0 平衡分配系数 K 成分过冷的大小主要受下列因素的影响成分过冷的大小主要受下列因素的影响 1 液相中温度梯度 GL GL越小 越有利于成分过冷 5 2 晶体生长速度 R R 越大 越有利于成分过冷 3 液相线斜率 mL mL越大 越有利于成分过冷 4 原始成分浓度 C0 C0越高 越有利于成分过冷 5 液相中溶质扩散系数 DL DL越底 越有利于成分过冷 6 平衡分配系数 K0 K0 1 时 K0 越 小 越有利于成分过冷 K0 1 时 K0越大 越有利于成分过冷 注 其中的 GL和 R 为工艺因素 相对较易加以控制 mL C0 DL K0 为材料因素 较 难控制 8 分别讨论分别讨论 成分过冷成分过冷 对单相固溶体及共晶凝固组织形貌的影响 对单相固溶体及共晶凝固组织形貌的影响 答答 成分过冷成分过冷 对单相固溶体组织形貌的影响对单相固溶体组织形貌的影响 随着 成分过冷 程度的增大 固溶体生长方式由无 成分过冷 时的 平面晶 依次发展为 胞状晶 柱状树枝晶 内部等轴晶 自由树枝 晶 成分过冷成分过冷 对共晶凝固组织形貌的影响对共晶凝固组织形貌的影响 1 共晶成分的合金 在冷速较快时 不一定能得到 100 的共晶组织 而是得到亚共晶或过共晶组织 甚至完全得不到共晶组织 2 有些非共晶成分的合金在冷速较快时反而得到 100 的共晶组织 3 有些非共晶成分的合金 在一定的冷速下 既不出现 100 的共晶组 织 也不出现初晶 共晶的情况 而是出现 离异共晶 9 如何认识如何认识 外生生长外生生长 与与 内生生长内生生长 由前者向后者转变的前 由前者向后者转变的前 提是什么 仅仅由成分过冷因素决定吗 提是什么 仅仅由成分过冷因素决定吗 答答 外生生长外生生长 晶体自型壁生核 然后由外向内单向延伸的生长方式 称 为 外生生长 平面生长 胞状生长和柱状树枝晶生长都 属于外生生长 内生生长内生生长 等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为 内生生长 如果 成分过冷 在远离界面处大于异质形核所需过冷 度 T异 就会在内部熔体中产生新的晶核 造成 内 生生长 使得自由树枝晶在固 液界面前方的熔体中出 现 外生生长向内生生长的转变的前提是外生生长向内生生长的转变的前提是 成分过冷区的进一步加大 决定因素决定因素 外生生长向内生生长的转变是由成分过冷的大小和外来质 点非均质生核的能力这两个因素所决定的 大的成分过冷和强生核能力的外 来质点都有利于内生生长并促进内部等轴晶的形成 6 10 影响枝晶间距的主要因素是什么 枝晶间距与材料的机械性能影响枝晶间距的主要因素是什么 枝晶间距与材料的机械性能 有什么关系 有什么关系 答答 影响枝晶间距的主要因素影响枝晶间距的主要因素 纯金属的枝晶间距主要决定于晶面处结晶潜热散失条件 而一般单相合金的枝晶间距则 还受控于溶质元素在枝晶间的扩散行为 通常采用的有一次枝晶 柱状晶主干 间距 d1 和二次分枝间距 d2两种 前者是胞状晶和柱状树枝晶的重要参数 后 者对柱状树枝晶和等轴枝晶均有重要意义 一次枝晶间距与生长速度 R 界面前液相温度梯度 GL直接相关 在一定的 合金成分及生长条件下 枝晶间距是一定的 R 及 GL增大均会使一次间距变小 二次臂枝晶间距与冷却速度 温度梯度 GL及生长速度 R 以及微量变质元 素 如稀土 的影响有关 枝晶间距与材料的机械性能枝晶间距与材料的机械性能 枝晶间距越小 组织就越细密 分布于其间的元素偏析范围就越小 故越容 易通过热处理而均匀化 而且 这时的显微缩松和非金属夹杂物也更加细小分 散 与成分偏析相关的各类缺陷 如铸件及焊缝的热裂 也会减轻 因而也就 越有利于性能的提高 11 根根据据共共晶晶体体两两组组成成相相的的Jackson 因因子子 共共晶晶组组织织可可分分为为哪哪三三类类 它它 们们各各有有何何生生长长特特性性及及组组织织特特点点 答答 根据共晶体两组成相的根据共晶体两组成相的 Jackson 因子 共晶组织可分为下列三类因子 共晶组织可分为下列三类 1 粗糙 粗糙界面 非小晶面 非小晶面 共晶 2 粗糙 光滑界面 非小晶面 小晶 共晶 3 光滑 光滑界面 小晶面 小晶面 共晶 各自何生长特性及组织特点各自何生长特性及组织特点 第 1 类共晶 生长特性为 共生 生长 即在共晶偶合长大时 两相彼 此紧密相连 而在两相前方的液体区域存在溶质的运动 两相有某种相互依赖关系 组织特点为 对于有共晶成分的合金 其典型的显微形态是 有规则的层片状或其中有一相为棒状或纤维状 即规则共 晶 对于非共晶成分的合金 在共晶反应前 初生相呈 树枝状长大 所得到的组织由初晶及共晶体所组成 第 2 类共晶体 生长特性为 长大过程是相互偶合的共生长大 组织特点为 组织较为无规则的 且容易发生弯曲和分枝 第 3 类共晶体 生长特性为 长大过程不再是偶合的 组织特性为 所得到的组织为两相的不规则混合物 12 试描述离异共晶组织的两种情况及其形成原因 试描述离异共晶组织的两种情况及其形成原因 7 答 离异共晶组织有两种情况离异共晶组织有两种情况 晶间偏析 和 晕圈 晶间偏析的形成原因如下晶间偏析的形成原因如下 1 由系统本身的原因 如果合金成分偏离共晶点很远 初晶相长得很大 共晶成分的残留液体很少 类 似于薄膜分布于枝晶之间 当共晶转变时 一相就在初晶相的枝晶上继续长出 而把另一相单独留在枝晶间 2 由另一相的生核困难所引起 合金偏离共晶成分 初晶相长得较大 如果另一相不能以初生相为衬底而生核 或因液体过冷倾向大而使该相析出受阻时 初生相就继续长大而把另一相留在 枝晶间 晕圈的形成原因晕圈的形成原因 由两相在生核能力和生长速度上的差别所引起的 所以在两相性质差别较大的 非小晶面 小晶面共晶合金中常见到晕圈组织 13 试述非小晶面试述非小晶面 非小晶面共生共晶组织的生核机理及生长机理 非小晶面共生共晶组织的生核机理及生长机理 组织特点和转化条件 组织特点和转化条件 答 非小晶面非小晶面 非小晶面共生共晶组织的生核机理如下非小晶面共生共晶组织的生核机理如下 如下图 示意图可不画出 所示 晶转变开始时 熔体首先析出富 A 组元的 固溶体小球 相的析出促使界面前沿 B 组元原子的不断富集 且为 相的析 出提供了有效的衬底 从而导致 相固溶体在 相球面上的析出 在 相析出 过程中 向前方的熔体中排出 A 组元原子 也向与小球相邻的侧面方向 球面 方向 排出 A 原子 由于两相性质相近 从而促使 相依附于 相的侧面长出 分枝 相分枝生长又反过来促使 相沿着 相的球面与分枝的侧面迅速铺展 并进一步导致 相产生更多的分枝 交替进行 形成了具有两相沿着径向并排 生长的球形共生界面双相核心 这就是共生共晶的生核过程 所以片状共晶结 晶是通过搭桥方式 即领先相表面一旦出现第二相 则可通过这种彼此依附 交替生长的方式产生新的层片来构成所需的共生界面 而不需要每个层片重新 生核的方式 来完成的 非小晶面非小晶面 非小晶面共生共晶组织的生长机理如下 非小晶面共生共晶组织的生长机理如下 8 在共生生长过程中 两相各自向其界面前沿排出另一组元的原子 如 b 图 所 示 若不考虑扩散 相前沿液相成分为高于 相前沿液相成分为 L C E C 低于 只有将这些原子及时扩散开 界面才能不断生长 扩散速度正比 L C E C 于溶质的浓度梯度 由于 相前沿富 B 而 相前沿富 A 因此 横向扩散 速度要比纵向大的多 纵向扩散一般可忽略不计 a 图 c 图为考虑扩散时 成分分布示意图 实际上 相交界处的液相成分不太可能正好为 而 E C 是高于或低于 取决于 A B 组元的扩散特性 于是 共晶两相通过横 E C 向扩散不断排走界面前沿积累的溶质 且又互相提供生长所需的组元 彼此 合作 并排地快速向前生长 非小晶面非小晶面 非小晶面共生共晶组织的组织特点如下 非小晶面共生共晶组织的组织特点如下 宏观平坦的共生界面将转变为类似于单相固溶体结晶时的胞状界面 在界面突 出 的胞状生长中 共晶两相仍以垂直于界面的方式进行共生生长 故两相的层 片将 会发生弯曲而形成扇形结构 第三组元浓度较大 或在更大的凝固速度下 成分 过冷进一步扩大 胞状共晶将发展为树枝状共晶组织 甚至还