凝固原理与铸造技术题目及答案

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1、凝固原理与铸造技术复习题答案1、画出纯金属浇入铸型后发生的传热模型示意图，并简要说明其凝固过程的传热特点。凝固过程的传热有如下一些特点：简单地说：一热、二迁、三传。首先它是一个有热源的传热过程。金属凝固时释放的潜热，可以看成是一个热源释放的热，但是金属的凝固潜热，不是在金属全域上同时释放，而只是在不断推进中的凝固前沿上释放。即热源位置在不断地移动；另外，释放的潜热量也随着凝固进程而非线性地变化。一热：有热源的非稳态传热过程，是第一重要的。二迁：固相、液相间界面和金属铸型间界面，而这二个界面随着凝固进程而发生动态迁移，并使传热现象变得更加复杂。三传：液

2、态金属的凝固过程是一个同时包含动量传输、质量传输和热量传输的三传（导热、对流和辐射传热）耦合的三维传热物理过程。其次，在金属凝固时存在着两个界面。即固相、液相间界面和金属铸型间界面，而在这些界面上，通常发生极为复杂的传热现象。2、一个直径为25cm的长圆柱形铸钢件在砂型和金属型中凝固：(l)当忽略铸件-铸型界面热阻时，它们的凝固时间各为多少？(2)当铸件-铸型的界面换热系数hi=0.0024J(cm2．s．℃)时，它们的凝固时间各为多少？计算用参数如表l-2所示，计算中假定钢水无过热度，并在一个固定的温度Tf下凝固，同时假定铸型无限厚。3、对于单元系

3、而言，为什么高温时稳定的同素异性结构具有比低温时稳定的同素异性结构有较高的热焓，即H(γ-Fe)>H(α-Fe)?4、推导曲率引起的平衡温度改变的计算公式。除压力外，表面曲率亦对平衡温度产生影响。在凝固时，表面曲率对固相来说相当于增加了一项附加压力，这项附加压力是与界面张力相平衡的。当任一曲面体的体积增加ΔV，面积增加ΔA时，附加压力ΔP与界面张力σ的关系为：由于曲率引起的平衡温度的改变为：5、二元合金的溶质平衡分配系数，除可以用热力学数据计算外，还可以用液相线斜率mL及结晶潜热ΔHm来计算。试推导其计算公式。溶质平衡分配系数k0为恒温下固相溶质浓度

4、CS与液相溶质浓度CL达到平衡时的比值(即k0=Cs/CL)。二元合金的溶质平衡分配系数，除可以用热力学数据计算外，还可以用液相线斜率mL及结晶潜热ΔHm来计算。在二元合金中，设mL和mS为常数，则有：6、已知纯铜的熔点为1085℃，液态时铜的摩尔体积为8.0×10-6m3，固态时为7.1×10-6m3，当压力的变化为103MPa时，试确定纯铜熔点温度的变化。Clausius-Claceyron方程式：=(1085+273)*(8.0-7.1)*10(-6)/(13.05*10(3))*10(3)*10(6)=93.66K7、从最大形核功的角度，解释

5、dAG/dr=0的意义。当液体中出现晶核时，系统自由能的变化由两部分组成，一部分是液相和固相体积自由能差ΔGv，它是相变的驱动力,另一部分是由于出现了固-液界面，使系统增加了界面能ΔGe，它是相变的阻力。这样，系统总的自由能变化为：因此，总的自由能将随r的变大而由小变大再变小，在晶核临界半径r*时，为极大值，与其相对应的ΔG*即为形核功。为此，将式(3-2)对r求导，并令dΔG/dr=O，即可求出临界品核半径：或：由于ΔG是r的函数，dΔG/dr=0表示ΔG在晶核半径为临界晶核r*时达到最大，当晶胚尺寸小于临界晶核尺寸时其长大将导致体系自由能的增加，

6、故这种尺寸的晶胚难以长大，最终熔化而消失，只有当晶胚尺寸大于临界晶核尺寸时才能形成稳定的晶核。8、讨论说明下图所表述的意义。尽管润湿角在非自发形核中有着重要作用，但用实验方法测定润湿角是困难的。一般，润湿角愈小，夹杂界面的形核能力愈高。过冷度ΔT愈大，晶胚尺寸愈大，其曲率半径愈大。但在相同的过冷度下，润湿角小的晶胚，在折合成同体积的情况下，其曲率半径更大些。它们与临界半径r*和ΔT的关系曲线的交点即为该θ角相应的形核过冷度，从图中可知θ角愈小，形核过冷度愈小，即其形核能力愈强。上述情况必须有几个先决条件，首先是润湿角和温度无关，其次是夹杂的基底面积要

7、大于晶胚接触所需要的面积，最后是晶胚和夹杂的接触面为平面。9、分析讨论选择形核剂的条件。生产中选择形核剂时还应考虑哪些因素？形核剂的条件根据界面能产生的原因，不难理解，两个相互接触的界面结构（原子排列的几何情况、原子大小，原于间距等）愈近似，它们之间的界面能就愈小。通常用错位度（或称不匹配度）δ来表示界面上晶核原子与夹杂原子互相间的匹配情况。当δ值很小时，过冷度ΔT与δ之间有如下关系：δ值较小的物质对形核是有效的。但是，这种点阵匹配原理并不是完善的，特别是用它作为选择形核剂的标准还远远不够，因为它与很多事实不符，例如尽管Ag与Sn的δ值比Pt与Sn的

8、δ值小，但Pt能作Sn的形核剂，而Ag却不能，这说明单靠点阵常数的差异还不能作为判断形核剂的唯一标准，其它的