凝固作業(yè)-西工大.doc

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1、一、凝固過程中有哪幾類重要的傳輸過程？它們是如何影響凝固過程的？如何有效控制這些過程？答:凝固過程中包括熱量傳輸、質(zhì)量傳輸和動(dòng)量傳輸；凝固過程的傳熱符合傳熱的普遍規(guī)律，包括傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射三種基本傳熱方式，但同時(shí)也具有自身的一些特點(diǎn)。首先它是一個(gè)有熱源的傳熱過程。金屬凝固時(shí)釋放潛熱，可以看成是一個(gè)熱源釋放的熱，且這個(gè)熱源位置在不斷地移動(dòng)。其次，在金屬凝固時(shí)存在著兩個(gè)界面，即固液界面和金屬-鑄型間界面，在這些界面上，會(huì)發(fā)生極為復(fù)雜的傳熱現(xiàn)象。質(zhì)量傳輸包括擴(kuò)散傳質(zhì)、對(duì)流傳質(zhì)、相間傳質(zhì)。若溶質(zhì)再分配過程不能充分完成，擴(kuò)散不均勻，則產(chǎn)生成分偏析

2、，金屬凝固結(jié)束后，各處成分不完全相同。動(dòng)量傳輸即為液態(tài)金屬的流動(dòng)，包括動(dòng)量對(duì)流和自然對(duì)流。當(dāng)對(duì)流達(dá)到紊流程度時(shí)，會(huì)沖刷枝晶壁造成晶粒繁殖，促使等軸晶的發(fā)展，特別是溶質(zhì)濃度較高的合金容易借助流動(dòng)形成等軸晶。二、試述等軸晶的形核機(jī)理，給出主要的晶粒細(xì)化方法和相應(yīng)的工藝過程？答:等軸晶形核的機(jī)理有：1、型壁上形核按照大野篤美的機(jī)理游離；2、固液兩相區(qū)的枝晶被熔斷并被液流帶入液相區(qū)；3、自由表面凝固形成“晶雨”；游離晶的形成:液態(tài)金屬在鑄型型壁的激冷作用下發(fā)生了兩種變化1、在型壁上形成晶核；2、液態(tài)金屬因冷卻收縮而發(fā)生流動(dòng)。生長(zhǎng)中的晶核在液流作

3、用下從型壁脫落進(jìn)入液相區(qū)。枝晶熔斷：枝晶生長(zhǎng)過程中由于根部溶質(zhì)的富集產(chǎn)生“縮頸”并熔斷、脫落；在沒有強(qiáng)制對(duì)流的條件下，大量被熔斷枝晶的形成與漂移均與側(cè)向生長(zhǎng)的兩相區(qū)中枝晶的流動(dòng)密切相關(guān)；表面凝固和“晶雨”的形成:表面凝固取決于熔體的凝固溫度與環(huán)境之差。表面凝固必須具備的形核條件與內(nèi)生生核相似，需較大的過冷度。當(dāng)合金溫度與環(huán)境溫度之差較大時(shí)，表面獲得所需要的過冷度而發(fā)生形核長(zhǎng)大。液相的流動(dòng)和表面的擾動(dòng)會(huì)使表面形成的晶核下落形成”晶雨”。晶粒細(xì)化的方法：1、添加晶粒細(xì)化劑，即向液態(tài)金屬中引入大量形核能力很強(qiáng)的易幟晶核，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的；2

4、、添加阻止生長(zhǎng)劑以降低晶核的長(zhǎng)大速度，使形核數(shù)量相對(duì)提高，獲得細(xì)小的等軸組織；3、采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌、鑄型振動(dòng)等力學(xué)方法，使枝晶折斷、破碎，使晶粒數(shù)量增多，尺寸減??；4、提高冷卻速度使液態(tài)金屬獲得大過冷度，增加形核速率；5、去除液相中的異質(zhì)晶核，抑制低過冷度下的形核，使合金獲得很大過冷度，并在大過冷度下突然大量形核，獲得細(xì)小等軸組織。三、凝固偏析大體分為宏觀偏析和微觀偏析，它們是如何形成的？如何控制和減少凝固偏析？答：微觀偏析是枝晶凝固的必然產(chǎn)物。假定凝固過程中的固相擴(kuò)散可以忽略，則凝固過程的任何時(shí)刻液固界面附近固相一側(cè)的成分被保留

5、在最終的凝固組織中形成枝晶形式的等濃度面。因此等濃度面可以標(biāo)記凝固界面的進(jìn)程。并且，影響微觀偏析的只要因素有：1）凝固速率,隨局部凝固時(shí)間的增大，非平衡相的析出量減小，即偏析減輕。2）合金元素的固相擴(kuò)散系數(shù)。合金元素的固相擴(kuò)散系數(shù)越大，凝固過程的擴(kuò)散越充分，該元素的偏析也就越輕。3）合金元素的液相擴(kuò)散系數(shù)，液相擴(kuò)散系數(shù)越大，液相中的合金元素能夠在枝晶間充分?jǐn)U散。宏觀偏析：平界面定向凝固過程中偏析的形成是由擴(kuò)散過程決定的。在無液相流動(dòng)的條件下，隨著凝固速率的加快，凝固界面前液相中溶質(zhì)富集區(qū)內(nèi)溶質(zhì)分布向穩(wěn)態(tài)的逼近速度加快。因而，快速凝固有利

6、于縮小偏析區(qū)。并且枝晶凝固組織中的偏析分布不僅與擴(kuò)散過程相關(guān)，也受液相流動(dòng)過程的控制。由于溶質(zhì)的再分配，枝晶間液相中的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同于平均溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這些液體的流動(dòng)將導(dǎo)致溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在宏觀尺度上的不均勻，形成宏觀偏析。因此通過控制凝固速度和液相流動(dòng)過程可以控制宏觀偏析。四、詳述固液界面形態(tài)選擇的成分過冷理論和絕對(duì)穩(wěn)定理論的基本內(nèi)容。請(qǐng)給出相關(guān)理論推導(dǎo)及重要推論？答：成分過冷理論：當(dāng)一種合金冷卻下來，由于溶質(zhì)在固相和液相中的分配因數(shù)不同，溶質(zhì)原子隨著凝固的進(jìn)行，被排擠到液相中去。在固液界面液相一側(cè)堆積著溶質(zhì)原子，隨著離開固液界面距離的

7、增大，溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低。在固液界面的一側(cè)液相中的溶質(zhì)原子濃度梯度應(yīng)為:式中R—生長(zhǎng)速率；—液相溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；—溫度下的平衡溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；—溶質(zhì)液相擴(kuò)散系數(shù)；；k—溶質(zhì)分配因數(shù)。當(dāng)界面處于平衡時(shí)，式中—合金液的液相線溫度；—合金系的液相線斜率。如果沒有過冷界面液相中的實(shí)際溫度梯度應(yīng)等于或大于，≥或再穩(wěn)態(tài)對(duì)流條件下，等于，即上式變?yōu)椋航^對(duì)穩(wěn)定理論：Mullins和Sekerka鑒于成分過冷理論存在的不足，提出一個(gè)考慮了溶質(zhì)濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)、固液界面能以及界面動(dòng)力學(xué)的新理論。在運(yùn)算時(shí)，假定固液界面處于平衡，表面能為各向同性、無對(duì)流，在平的固

8、液界面上有干擾。其界面溫度為，式中—界面液相溫度；—界面固相溫度；—平面凝固界面的熔點(diǎn)；—Gibbs-Thomson數(shù)；k—曲率，曲面凹向液相時(shí)為正。絕對(duì)穩(wěn)定理論推導(dǎo)界面失穩(wěn)公式為，式中—溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度；