3．結合圖3-3及圖3－4解釋臨界晶核半徑r*和形核功δg*的意義，以及為什麼形核要有一定過冷度。
答：（1）臨界晶核半徑r*的意義如下：
r＜r*時，產生的晶核極不穩定，隨即消散；
r =r*時，產生的晶核處於介穩狀態，既可消散也可生長；
r＞r*時，不穩定的晶胚轉化為穩定晶核，開始大量形核。
故r*表示原先不穩定的晶胚轉變為穩定晶核的臨界尺寸。
臨界形核功δg*的意義如下：
表示形核過程系統需克服的能量障礙，即形核「能壘」。只有當δg≥δg*時，液相才開始形核。
圖3-4 液態金屬r°、r*與t的關係及臨界過冷度δt *
（2）形核必須要有一定過冷度的原因如下：
由形核功的公式：
均質形核）
= （非均質形核）
對某種晶體而言，vs
均為定值，δg*∝δt－2，過冷度δt 越小，形核功δg*越大，δt→0時，δg*→∞，這表明過冷度很小時難以形核，所以物質凝固形核必須要有一定過冷度。
成分過冷與熱過冷的區別 :
熱過冷是由於液體具有較大的過冷度時，在介面向前推移的情況下，結晶潛熱的釋放而產生的負溫度梯度所形成的。可出現在純金屬或合金的凝固過程中，一般都生成樹枝晶。
成分過冷是由溶質富集所產生，只能出現在合金的凝固過程中，其產生的晶體形貌隨成分過冷程度的不同而不同，當過冷程度增大時，固溶體生長方式由無成分過冷時的「平面晶」依次發展為：胞狀晶→柱狀樹枝晶→內部等軸晶（自由樹枝晶）。
成分過冷與熱過冷的聯絡:
對於合金凝固，當出現「熱過冷」的影響時，必然受「成分過冷」的影響，而且後者往往更為重要。即使液相一側不出現負的溫度梯度，由於溶質再分配引起介面前沿的溶質富集，從而導致平衡結晶溫度的變化。在負溫梯下，合金的情況與純金屬相似，合金固溶體結晶易於出現樹枝晶形貌。
1.鑄件典型巨集觀凝固組織是由哪幾部分構成的，它們的形成機理如何?
答：鑄件的巨集觀組織通常由激冷晶區、柱狀晶區和內部等軸晶區所組成。
表面激冷區的形成：當液態金屬澆入溫度較低的鑄型中時，型壁附近熔體由於受到強烈的激冷作用，產生很大的過冷度而大量非均質生核。這些晶核在過冷熔體中也以枝晶方式生長，由於其結晶潛熱既可從型壁匯出，也可向過冷熔體中散失，從而形成了無方向性的表面細等軸晶組織。
柱狀晶區的形成：在結晶過程中由於模壁溫度的公升高，在結晶前沿形成適當的過冷度，使表面細晶粒區繼續長大（也可能直接從型壁處長出），又由於固-液介面處單向的散熱條件（垂直於介面方向），處在凝固介面前沿的晶粒在垂直於型壁的單向熱流的作用下，以表面細等軸晶凝固層某些晶粒為基底，呈枝晶狀單向延伸生長，那些主幹取向與熱流方向相平行的枝晶優先向內伸展並抑制相鄰枝晶的生長，在淘汰取向不利的晶體過程中，發展成柱狀晶組織。
內部等軸晶的形成：內部等軸晶區的形成是由於熔體內部晶核自由生長的結果。隨著柱狀晶的發展，熔體溫度降到足夠低，再加之金屬中雜質等因素的作用，滿足了形核時的過冷度要求，於是在整個液體中開始形核。
同時由於散熱失去了方向性，晶體在各個方向上的長大速度是相等的，因此長成了等軸晶。
答：純金屬、共晶成分合金和結晶溫度範圍窄的合金，在一般鑄造條件下按由表及裡逐層凝固的方式凝固。由於金屬或合金在冷卻過程中發生的液態收縮和凝固收縮大於固態收縮，從而在鑄件最後凝固的部位形成尺寸較大的集中縮孔。
其形成過程如下圖所示。
鑄件中縮孔形成過程示意圖
從圖中可以看出，液態金屬充滿型腔後，由於鑄型的吸熱作用，其溫度下降，產生液態收縮。此時，液態金屬可通過澆注系統得到補充，因而型腔始終保持充滿狀態（圖a）。當鑄件外表溫度降至凝固溫度時，鑄件表面就凝固成一層固態外殼，並將內部液體包住（圖b）。
這時，內澆口已經凝結。當鑄件進一步冷卻時，殼內的液態金屬因溫度降低一方面產生液態收縮，另一方面繼續凝固使殼層增厚並產生凝固收縮；與此同時，殼層金屬也因溫度降低而發生固態收縮。如果液態收縮和凝固收縮造成的體積縮減等於固態收縮引起的體積縮減，則殼層金屬和內部液態金屬將緊密接觸，不會產生縮孔。
但是，由於金屬的液態收縮和凝固收縮大於殼層的固態收縮，殼內液體與外殼頂面將發生脫離（圖c）。隨著冷卻的進行，固態殼層不斷加厚，內部液面不斷下降。當金屬全部凝固後，在鑄件上部就形成了乙個倒錐形的縮孔（圖d）。
形成縮松和縮孔的基本原因是相同的，即金屬的液態收縮和凝固收縮之和大於固態收縮。但形成條件是不同的：產生縮孔的條件是鑄件由表及裡逐層凝固。
形成縮松的條件是金屬的結晶溫度範圍較寬，傾向於體積凝固或同時凝固方式。
材料成形原理》部分課後答案
3 結合圖3 3及圖3 4解釋臨界晶核半徑r 和形核功 g 的意義，以及為什麼形核要有一定過冷度。答 1 臨界晶核半徑r 的意義如下 r r 時，產生的晶核極不穩定，隨即消散 r r 時，產生的晶核處於介穩狀態，既可消散也可生長 r r 時，不穩定的晶胚轉化為穩定晶核，開始大量形核。故r 表示原先不...
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