金属凝固习题答案

《液态金属成型原理》习题一

（第一章~第三章）

1.根据实验现象说明液态金属结构。描述实际液态金属结构。

实验依据:

实验数据液体结构定性推论

熔化时，约原子间距增加1-1.5%,排列松散

3-5%的体积膨

胀。

Lb»Lm与固态相比，金属原子的结合键破坏很少部分

熔化时焙增大排列的有序性下降，混乱度增加

气、液、固相比较，液态金属结构更接近固态

1）多数金属熔化有约3-5%的体积膨胀，表明原子间距增加1-1.5%；

2）熔化时端增大，表明原子排列混乱程度增加，有序性下降；

3）汽化潜热远大于熔化潜热，比值=15-28,液态结构更接近固态；

4）衍射图的特征可以用近程有序概括；仅在几个原子间距范围内，质

点的排列与固态相似，排列有序；

液态金属结构：液体是原子或分子的均质的、密集的、“短程有序”的随

机堆积集合体。其中既无晶体区域，也无大到足以容纳另一原子的空穴。

与理想结构不同，实际金属含有杂质和合金元素，存在着能量起伏、结

构起伏和成分起伏。

2.估计压力变化lOkbar引起的铜的平衡熔点的变化。已知液体铜的摩尔

体积为8.0xl0-6m3/mol,固态为7.6x1()-6m3/mol,熔化潜热

Lm=13.05kJ/mol,熔点为1085℃.

41.56K

3.推导凝固驱动力的计算公式，指出各符号的意义并说明凝固驱动力的本

质。

本质：凝固驱动力是由过冷度提供的，过冷度越大，凝固驱动力越大。

4.在环境压力为lOOkPa下,在紧靠熔融金属的表面处形成一个直径为2nm

的稳定气泡时，设气泡与液体金属的。=0.84N/m,求气泡的内压力。

p=1001JPa

P=lOOkPa+(2*0.84N/m)/(1*10-6m)=178OkPa

5.如何区分固一液界面的微观结构？

界面结构判据：Jackson因子aW2,X=0.5时，AG=min,粗糙界面;

a>3,X-0或1时，AG=min,光滑界面；

推导均质形核下临界晶核半径和临界形核功，并说明过冷度对二者的影

响

7.细化晶粒的目的？选择形核剂时的应遵循哪些原则？

目的：增加晶粒数目，降低晶粒尺寸，增大晶界面积。溶质和杂质等分

布更加均匀，晶粒互相咬合紧密，使机械性能得到提高。

原则：1）应遵循共格对应原则，共格或半共格，润湿角越小越好；2）

固体质点表面上原子的排列方式与新相中某一晶面上的原子排列方式相

似，原子间距相近或成比例；3）形核剂本身或与合金液反应后的产物可

作为生核剂；4）形核剂稳定，高温难熔、不溶解于金属液，不带入杂质。

8.钢内微量硫化物在985%：形成共晶相（该温度下为液态），设晶粒间界面

张力晶粒和共晶相间的界面张力。2,O1/Q2>2,试用简图表示常温

下硫化物分布形态，并说明理由。

cos0/2=ass/2osL>

根据题意，OSS>2OSL,表面张力无法维持平衡。

低熔点液相S化物便沿晶界形成带尖角的薄膜状。凝固后形成断续网

状夹杂物，严重降低钢的性能。

相1

晶周液相S化物凝固后

《液态金属成型原理》习题二

（第四章~第六章）

1）（）砂型铸造下图所示圆柱形铸钢件（单位为mm）0根据工艺需要加

设冒口。如凝固系数为0.9cm/min%分别估算计算和不计算冒口时，铸件

凝固完毕所需的时间。

根据Chvorinov法则，T=(V/S)2/K2,

不计算冒口时：38.7min.

计算冒口时45.8min.

2）砂型铸造一个二元合金铸件。成分为8%B。其相图如下。合金凝固时液相

被充分搅拌，忽略固相扩散。共晶温度时a中溶解11.3%B。CE=66%B»

问1）最后锭中是否有共晶组织？若有，占多少？2）根据晶体生长理论，

绘出其凝固组织（铸态）示意图。3）说明凝固组织是否稳态结构，如何得

到稳态结构，绘出稳态组织示意图，说明理由。

8%B

[1]若有共晶组织，则最后凝固的CL=CE,重量％为fE；根据Scheil方程，

CL=CofL（k“）,假设分配系数k为常数，k=l1.3/66=0.171;即有:fE=（CE/Co）

i/ki）=（66/8）1/。171-1）=0.078=7.8%

[2]根据相图，在砂型铸造条件下，首先形成a枝晶。由于合金凝固时液

相充分搅拌，固相扩散不充分，不平衡凝固导致后凝固相溶质富集，最后

7.8%液相达到CE，在初生a晶周形成共晶，如下左图示。这种共晶组织

可能是离异共晶，晶周形成单B，合金为a+B两相组织。

[3]这种共晶组织为亚稳组织，高温退火可以得到下右图示稳态组织。

3）在确定合金成分后，能否从相图确定金属凝固组织？为什么？

在确定合金成分后，不能仅仅根据相图确定金属凝固组织，理由如下：

A.相图是平衡图，只能用于预测平衡凝固组织；

B.在通常凝固条件下，由于动力学条件的限制，都是非平衡结晶；固、

液相成分都偏离相图，常常出现亚稳相；工艺条件对凝固组织有强烈的

影响。

4)()生产需要分析下图示铸钢件的化学成分，请确定钻取化学分析试样

的位置，说明原因。

可以在厚12mm的法兰部位取几个试样，取其分析平均值。

由于溶质再分配及扩散的不均匀，取样的组织在不同部位可能有很大差异。

浇注的金属在铸件薄壁快冷部位迅速凝固，溶质来不及扩散，其化学成分

基本代表液体金属的平均成分

5)依据凝固过程溶质再分配规律，开发出一种材料提纯的工艺，称为区域提

纯(ZoneRefining),生产高纯材料。请阐述它的原理和技术要点，并绘

出示意图。

6)()纺织机用衬环是用砂型铸造方法生产的最薄的零件之一，如下图所

示。材质为高速钢。钢液密度为7000kg/m3,设钢液表面张力为L96N/m,

完全不润湿型砂。求充填时，和渗入孔隙为0.01mm的砂隙时，为克服表

面张力所必须的附加压力及相应的金属压头。如果将壁厚加大到2mm,计

算新的所需压力值。

048

彳,=一

n.7

,046

根据题意，钢液完全不润湿砂型，9=180。，附加压力=2o/r,

相应的，pgh=2o/r,则金属压头h=2o/rpg

7）已知铝液温度为78（FC,粘度n=1.06x10-3N.s/m2,密度p=2400kg/m3。

铝液中含有AI2O3球形颗粒,密度p=4000kg/m3,半径r=0.001mm。求AI2O3

下沉速度。

V=22（丫液-y杂）/9r|=3.3x10-6m/s

8）盛钢桶内钢液深度为2米，设钢液粘度n=6.5x10-3N.s/m2,密度p=

7000kg/m3,钢液表面张力是L87N/m,求：

a）若采用静置法除气，间静置15分钟后，能浮到液面的最小气泡半径；

b）上述最小气泡在钢包底部所承受的压力（1大气压=105牛顿/m2）。

a）设气泡密度为0；最底层气泡上浮平均速度V=h/r=2/15x60m/s；

能浮到液面的最小气泡半径：r=[9Vr|/2（丫液-丫杂）]|/2

30.8gm

b）环境压力为lOOkPa,气泡在钢包底部所承受的压力：

P=100kPa+（2xl.87N/m）/30.8xl0-6m+7000

kg/m3x9.8lm/s2x2m=358769Pa

9）下图示三种金属在砂型中凝固时温度分布的近似值，那一种最接近实际？

原因？

砂型铸造传热特点是：k型/k金<<1；

铸件断面内G很小，温差很小，冷却缓慢；

铸型则相反，温差很大。

因此，a)最接近实际。

10)Cu-Sn、Cu-Al二元系相图如下图示。假定需要考虑用Cu-5%A1和

Cu-10%Sn来铸造相同的砂型铸件，指出这两种合金铸件的凝固方式。简述原

因。

1100

口3E凝固方式理由

Cu-5%A1倾向逐层凝固根据相图，合金凝固温度范围很窄

合金凝固温度范围很宽，砂型导热慢，温度分布比

Cu-19%Sn倾向糊状凝固

较平缓

习题三

1.可采用哪些措施获得并细化等轴晶？

1)减小G/R,加大成分过冷，促进内生生核；

2)孕育处理、变质处理，增加晶核数目，细化晶粒；

3)促进液相流动、加强搅拌，促使枝晶熔断和晶粒增殖，增加游离晶数目。

2.分析缩孔、缩松的形成原因和条件。

铸件冷却凝固时，由于温度降低和液-固相变，合金的液态收缩与凝固收缩大于

固态收缩，往往在最后凝固的部位出现孔洞，容积大而且集中的为孔洞；细小

而且分散的孔洞为缩松，称缩孔，

缩孔一一结晶温度范围窄，逐层凝固的合金

缩松一一结晶温度范围宽，糊状凝固的合金

3.阐述灰铸铁件和球墨铸铁缩松的倾向性，二者为何具有“自补缩”的性质？

二者的共同特点，奥氏体枝晶迅速布满铸件断面，铸件长期处于凝固状态;

且奥氏体枝晶具有很强连成骨架的能力，使补缩难以进行。所以，两种铸铁都

有产生缩松的可能性。

灰铸铁，石墨为片状，枝晶尖端与液体接触，长速快。石墨长大时体积膨

胀大部分作用在枝晶间的液体上，迫使液体通过枝晶间的管道填充枝晶间、由

于液态收缩和凝固收缩形成的细小孔洞，可降低灰铸铁缩松的严重程度。即灰

铸铁的“自补缩”能力。灰铸铁件一般不需要冒口。

球墨铸铁，石墨为球状，四周为奥氏体外壳，石墨通过碳原子的扩散长大。

当共晶团长大到相互接触后，石墨的膨胀力只有一小部分作用在液体上，大部

分作用在相邻的共晶团或奥氏体枝晶上，趋向把他们挤开。如铸性刚度不够，

膨胀力将迫使型壁外移，铸件膨胀，共晶团间隙扩大，铸件断面布满显微缩松。

如铸型刚度足够，石墨的膨胀力反传回铸件，有可能将缩松压合。这是的球铁

也可看作是具有“自补缩”能力。

4.为什么时效处理后铸件内的应力可以得到缓解？

如铸件存在残余应力，必然使晶格产生畸变，畸变晶格上的原子势能较高，极

不稳定。铸件经时效处理，由于受到温度变化或振动等作用，原子有足够的时

间和条件不断发生能量交换，能量趋于均衡。畸变的晶格得以恢复，铸件变形,

应力可被减弱或消除。

5.裂纹的种类？如何区分？

裂纹：热裂、冷裂

区分时可根据裂纹的断口的颜色，或裂纹走向、分叉程度等进行判断。

6.砂型铸造T形梁，尺寸如下图示，从厚部浇入金属。分析冷却过程铸件内

部应力的状况，形成原因。冷却至室温后是否有残余应力？如有，方向如何？

是否会形成变形，如何变形？

由于冷却速度不同引起的应力-热应力；厚15mm的薄区先凝固，冷却快,

收缩受上面厚部阻碍，薄受拉，厚受压；继续冷却到较低温度，厚部冷却快,

薄受压，厚受拉；

残余应力：薄受压，厚受拉;

变形：两边上翘。

8.生产下左图示箱形灰铸铁机床铸件。出现贯穿箱体的裂纹缺陷，局部的裂纹

形貌如下右图箭头示。判断缺陷类型，说明原因。

a）裂纹分析：从照片无法判断断口氧化情况。但是，裂纹比较直而且规则，

外形呈连续直线和圆滑曲线状。铸件壁被整齐地贯穿拉断，断口干净。根据这

些特征，判断为冷裂。

b）冷裂形成条件及机理：当铸件冷却到较低温度时，铸造应力超过合金的强

度极限而产生。形成铸造应力的原因可以是机械阻碍收缩、热应力和相变应力。

9.使用含氮树脂砂生产铸钢件，退火后，在靠近冒口的铸件表面出现深浅不同

的垂直小孔，内表光滑，在断面上形态如下图示。判断缺陷类型，说明形成这

类缺陷通常要具备的条件及形成机理。f

slt.

®

=i

a）铸件退火和表面清理后，表面氧化层脱落，暴露出图示小孔洞，这是典型

的反应性气孔缺陷，又被称作皮下气孔。

b）皮下气孔孔是一种反应性气孔。在高温金属液作用下，在金属液-铸型界面

处产生化学反应，产生气体。反应产物会以原子状态溶解到液体金属中。造成

铸件表层气体浓度增高。当表层凝固，激冷晶粒生长成微小的柱状晶，溶质再

分配导致在凝固前沿溶质富集，在微缩孔和氧化物表面形成气泡，晶周的小气

孔随着也长成细长条状。

10.生产下右图示铸钢套筒铸件。在筒壁出现裂纹缺陷，如下左图示。判断缺陷

类型，说明形成这类缺陷通常要具备的条件及形成机理。

a）裂纹分析：从照片无法判断断口氧化情况。但是，裂纹外观形状曲折而不

规则，分叉，外形呈撕裂特征。根据这些特征，初步判断为热裂。

b）热裂形成条件及机理：当铸件接近固相线，凝固即将结束，晶界上可能还

有少量液相存在时，合金呈脆性，强度和塑性都很低。如果这时铸造应力超过

合金的强度极限，极易开裂。铸件收缩受阻可以形成应力；铸件壁厚差异过大,

先凝固的薄壁收缩，可以使厚壁受拉而开裂