18说明缩孔缩松的形成原因及预防措施。
答：铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞，称为缩孔。容积大而集中的孔洞称为集中缩孔，简称缩孔；细小而分散的孔洞成为分散性缩孔，简称为缩松。
预防措施：防止铸件中产生缩孔和缩松的基本原则使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，尽可能地使缩松转化为缩孔，并使缩孔出现在铸件最后凝固的地方。这样在铸件最后凝固的地方安置一定尺寸的冒口，使缩孔集中于冒口中，或者把浇口开在最后凝固的地方直接补缩，既可获得健全的铸件。
使铸件的凝固方向符合“顺序凝固原则”或“同时凝固原则”：
1）顺序凝固 用各种措施保证铸件结构上各部分，按照远离冒口的部分最先凝固，然后是靠近冒口部分，最后才是冒口本身凝固的次序进行，保证缩孔集中在冒口中，获得致密的铸件；
2）同时凝固 取工艺措施保证铸件结构上各部分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时凝固。在同时凝固条件下，没有补缩通道。
不能简单地采用顺序凝固或同时凝固方式，而往往是采用复合的凝固方式
19（应力框由杆I，杆Ⅱ以及横梁Ⅲ组成； 开始冷却时，两杆具有相同的温度tL，最后又冷却到同一温度t0）
瞬时应力的发展过程可分四个阶段加以说明，如图9-1d所示：
第一阶段(τ0～τ1)：tⅡ
第二阶段(τ１～τ２)：tⅡ ２ 时两杆温差最大，应力达到极大值， 该阶段为应力增长阶段。 第三阶段(τ2～τ3)：两杆中的应力逐渐 减小，到τ3时，铸件处于完全卸载状态。 第四阶段(τ3～τ4)：杆I的冷却速度仍然比杆Ⅱ快，即杆I 的自由线收缩速度大 5 于杆Ⅱ。在此阶段，杆I 被拉长，故产生拉应力，杆Ⅱ则相反，产生压应力。 一、 选择题 1． “成分过冷”原则是由（③）首先提出的。 ①W·Kurz②M.C.Flemings③B.Chalmers 2. 在快速凝固条件下，不可能由仪器直接测量出冷却速度。这时，可以通过测量（②）来估算冷却速度。①一次枝晶间距②二次枝晶间距③晶粒度 3．在规则共晶生长时，促使α相和β相共生生长的决定因素是（②）P169 ①热流方向②固液界面附近的溶质横向扩散③晶体学因素 4. 在非平衡生长条件下，非规则共晶的共生区形状是：③ ①对称的②偏向金属相一侧③偏向非金属相一侧 5. 某种物质凝固时的固液界面粗糙程度可由该物质（①）值的大小判定。P96 ①熔化熵②表面能③自由能 6. 对一般金属而言，晶体长大速度与界面过冷度成（①）关系。P118 ①直线②指数③抛物线 7. 在共晶固液界面前沿很小距离内，溶质成分的分布极不均匀。超过这个距离，液相成分是均一的Ce。这段距离大约为：① P176 ①相当于一个层片厚度的范围②相当于四个层片厚度的范围③相当于一个共晶晶粒的范围 8. 定向凝固条件下的热平衡方程为： λsGs-λLGL=ρmLR 如果同一金属固相和液相的导热系数相同，那么在同样的生长速度下，以下三种金属中哪一种金属更容易获得较高的液相温度梯度：（③） ①Al②Cu③Fe 9. 固液界面前沿液相的流动会影响柱状树枝晶的生长方向，那么柱状树枝晶通常向液体流动方向的（②）方向倾斜。P241 ①相同②相反③垂直 10. 金属玻璃的结构和其在（②）时的结构大体相似。 ①气态②液态③固态 四 试述金属凝固方式，影响因素及其对铸件质量的影响。 ?t?t答：金属凝固方式分为三种：逐层凝固?1，体积凝固?1，中间凝固。?t为结晶 ?t?t温度间隔，?t为结晶开始温度与铸件表面温度差。影响因素：结晶温度范围越小，温度梯度越大，凝固区域越窄，越趋向与逐层凝固。反之，结晶温度范围越大，温度梯度越小，凝固区域越宽，越趋向与体积凝固。对铸件质量的影响：（1）逐层凝固具有良好的充填和补缩条件，产生分散性缩孔的倾向性很小，而是在最后凝固部位形成集中缩孔。如果合理设置冒口，可使缩孔移入冒口，而且在凝固过程中收缩产生的晶间裂纹容易得到金属液补充，使裂纹愈合，故热裂倾向小。（2）体积凝固方式，补缩条件差，形成分散性缩孔，等轴晶粗大，热裂倾向大。（3）中间凝固方式的补缩特性，热裂倾向，充型性能均介于前两者之间。 6 金属的凝固方式与铸件质量的关系：1、窄结晶温度范围的合金（1）纯金属和共晶成分合金：是以逐层方式凝固（2）窄结晶温度范围的合金：与纯金属的不同之处是凝固前沿不平滑，而为锯齿形。补缩性良好，最后凝固的部位缩孔，热裂倾向性小，较好的充型能力2、宽结晶温度范围的合金：合金铸件的凝固区域宽，液态金属的过冷很小，容易发展成为树枝发达的粗大等轴晶组织，铸件中形成分散性的缩孔即缩松，热裂的倾向性很大，充型性能也很差。3、中等结晶温度范围的合金补缩特性、热裂倾向性和充型性能介于窄结晶温度范围和宽结晶温度范围合金之间。 凝固时间的计算：T=R2/K2，R为折算厚度，板型为厚度/2，球形为半径/3 八 说明结晶与凝固的区别及凝固组织对铸坯质量和性能的影响。 答：结晶是一种原子排列短程有序，长程无序状态过渡到另一种原子排列状态长程有序的转变过程。结晶是从物理化学观点出发，研究液态金属的生核，长大，结晶组织的形成规律。凝固是物质聚集状态的变化，由液态转变为固态的过程，其中，固态也可以为晶态，也可以为非晶态。凝固是从传热学观点出发，研究铸件和铸型的传热过程，铸件断面上凝固区域的变化规律，凝固方式与铸件质量的关系等。 凝固组织对铸坯的性能和质量有很大的影响，就宏观组织而言，表面细晶区一般比较薄，对铸件的质量和性能影响不大。铸件的质量与性能主要取决与柱状晶区与等轴晶区的比例以及晶粒的大小。柱状晶的力学性能有明显的方向性，纵向好，横向差，铸坯在凝固或冷却过程中容易沿晶界产生裂纹。等轴晶的晶界面积较大，杂质和缺陷分布比较分散，且晶粒的晶体取向不同，故性能的方向性较小，比较稳定。晶粒越细，其综合性能越好，且抗疲劳性能也越高。所以通常情况下，希望获得细密的等轴晶组织。 十 说明如何获得等轴细晶组织。 答：等轴晶细化能使杂质和缺陷分布更加分散，从而在一定程度上提高各项性能。一般说来，晶粒越细，其综合性能就越好，抗疲劳性能也越高。细化原理：通过强化非均质生核和促进晶粒游离以抑制凝固过程中柱状晶区的形成和发展。就能获得等轴晶组织。非均质晶核数量越多，晶粒游离的作用越强，熔体内部越有利于游离晶的残存，则形成的等轴晶粒就越细。具体方法有：（1）合理控制浇注工艺和浇注条件，加大冷却速度，提高过冷度，降低浇铸温度、提高铸型冷却能力、减小零件壁厚、强制冷却、内外“冷铁”。（2）孕育处理和变质处理，加入晶粒细化剂和变质剂。（3）动力学细化，铸型振动，超声波振动，液相电磁搅拌等促使型壁晶体的游离，枝晶臂断裂与游离。 二 写出界面稳定性动力学理论的判别式，并结合该式说明界面能，温度梯度，浓度梯度对界面稳定性的影响。 ?v?????,12D??答：判别式s(?)??Tm???(g?g)?mGc，s(?)的正负决定着干扰??v?2?(1?k0)????D??振幅是增长还是衰减，从而决定固液界面稳定性。第一项是由界面能决定的，界面能不可能是负值，所以第一项始终为负值，界面能的增加有利于固液界面的稳定。第二项是由温度梯度决定的，温度梯度为正，界面稳定，温度梯度为负，界面不稳定。第三项恒为正，表明该项总使界面不稳定，固液界面前沿形成的浓度梯度不利于界面稳定，溶质沿界面扩散也不利于界面稳定。 7 三 写出溶质有效分配系数kE的表达式，并说明液相中的对流及晶体生长速度对kE的影响。若不考虑初始过渡区，什么样的条件下才可能有Cs?C0 答：k?Cs?E??C0kk?(1?k)e000?DL?Nv 可以看出，搅拌对流愈强时，扩散层厚度?N愈小， ?故Cs愈小。生长速度愈大时，Cs愈向C0接近。（1）慢的生长速度和最大的对流时，《1，kE?k0；（2）大的生长速度或者液相中没有任何对流而只有扩散时，v?》?DDvNNLL?1，kE=1 （3）液相中有对流，但属于部分混合情况时，k0?kE?1。kE?1时，Cs?C0，即在大的生长速度或者液相中没有任何对流而只有扩散时。 四 写出宏观偏析的判别式，指出产生正偏析，负偏析，和不产生偏析的生长条件。 答：Cs?k0C0?q，Cs是溶质的平均浓度，C0是液相的原始成分，q是枝晶 k0?1?q内溶质分布的决定因素，它是合金凝固收缩率?，凝固速度u和流动速度v的函数， v?vq?(1??)(1?)。Cs?C0，即p??时，q=1，无宏观偏析。Cs?C0时，对于uu1??k0?1的合金来说，为正偏析，此时 为负偏析，此时 vpu???1??。Cs?C0时，对于k0?1的合金来说， vpu???1??mm。 五 解：用?Tr???TV?Hm2?k???TmVm?计算 ?Hmr六 解： 8
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