金屬學(xué)與熱處理課后習(xí)題答案第三章

1、第三章二元合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶3-1在正溫度梯度下，為什么純金屬凝固時(shí)不能呈樹枝狀生長(zhǎng)，而固溶體合金卻能呈樹枝狀成長(zhǎng)？答：原因：在純金屬的凝固過程中，在正溫度梯度下，固液界面呈平面狀生長(zhǎng)；當(dāng)溫度梯度為負(fù)時(shí)，則固液界面呈樹枝狀生長(zhǎng)。固溶體合金在正溫度梯度下凝固時(shí)，固液界面能呈樹枝狀生長(zhǎng)的原因是固溶體合金在凝固時(shí)，由于異分結(jié)晶現(xiàn)象，溶質(zhì)組元必然會(huì)重新分布，導(dǎo)致在固液界面前沿形成溶質(zhì)的濃度梯度，造成固液界面前沿一定范圍內(nèi)的液相其實(shí)際溫度低于平衡結(jié)晶溫度，出現(xiàn)了一個(gè)由于成分差別引起的過冷區(qū)域。所以，對(duì)于固溶體合金，結(jié)晶除了受固液界面溫度梯度影響，更主要受成分過冷的影響，從而使固溶體合金在正溫度梯度下也能

2、按樹枝狀生長(zhǎng)。3-2何謂合金平衡相圖，相圖能給出任一條件下合金的顯微組織嗎？答：合金平衡相圖是指在平衡條件下合金系中合金的狀態(tài)與溫度、成分間關(guān)系的圖解又稱為狀態(tài)圖或平衡圖。由上述定義可以看出相圖并不能給出任一條件下合金的顯微組織，相圖只能反映平衡條件下相的平衡。3-3有兩個(gè)形狀、尺寸均相同的Cu-Ni合金鑄件，其中一個(gè)鑄件的WNi=90%,另一個(gè)鑄件的WNi=50%，鑄后自然冷卻。問凝固后哪一個(gè)鑄件的偏析嚴(yán)重？為什么？找出消除偏析的措施。答：WNi=50%鑄件凝固后偏析嚴(yán)重。解答此題需找到Cu-Ni合金的二元相圖。原因：固溶體合金結(jié)晶屬于異分結(jié)晶，即所結(jié)晶出的固相化學(xué)成分與母相并不相同。由Cu

3、-Ni合金相圖可以看出WNi=50%鑄件的固相線和液相線之間的距離大于WNi=90%鑄件，也就是說WNi=50%鑄件溶質(zhì)Ni的k0（溶質(zhì)平衡分配系數(shù)）高，而且在相圖中可以發(fā)現(xiàn)Cu-Ni合金鑄件Ni的k0是大于1,所以k0越大，則代表先結(jié)晶出的固相成分與液相成分的差值越大，也就是偏析越嚴(yán)重。消除措施：可以采用均勻化退火的方法，將鑄件加熱至低于固相線100-200°C的溫度，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間保溫，使偏析元素充分?jǐn)U散，可達(dá)到成分均勻化的目的。3-4何謂成分過冷？成分過冷對(duì)固溶體結(jié)晶時(shí)晶體長(zhǎng)大方式和鑄錠組織有何影響？答：成分過冷：固溶體合金在結(jié)晶時(shí)，由于選分結(jié)晶現(xiàn)象，溶質(zhì)組元必然會(huì)重新分布，導(dǎo)致在

4、固液界面前沿形成溶質(zhì)的濃度梯度，造成固液界面前沿一定范圍內(nèi)的液相其實(shí)際溫度低于平衡結(jié)晶溫度，出現(xiàn)了一個(gè)由于成分差別引起的過冷區(qū)域。過冷度為平衡結(jié)晶溫度與實(shí)際溫度之差，這個(gè)過冷度是由成分變化引起的，所以稱之為成分過冷。成分過冷對(duì)固溶體結(jié)晶時(shí)晶體長(zhǎng)大方式和鑄錠組織的影響：在固液界面前沿?zé)o成分過冷區(qū)域時(shí)，晶體以平面長(zhǎng)大方式生長(zhǎng)，長(zhǎng)大速度完全受散熱條件控制，最后形成平面狀的晶粒組織；在過冷區(qū)域比較小時(shí)，固液界面上的偶然突出部分，可伸入過冷區(qū)長(zhǎng)大，突出部分約為0.1-lmm,晶體生長(zhǎng)是穩(wěn)定的凹凸不平界面以恒速向液體中推進(jìn)。這種凹凸不平的界面通常稱之為胞狀界面，具有胞狀界面的晶粒組織稱為胞狀組織，因?yàn)樗?/p>

5、顯微形態(tài)很像蜂窩,所以又稱為蜂窩組織,它的橫截面典型形態(tài)呈規(guī)則的六變形；在過冷區(qū)域較大時(shí),則固溶體合金的結(jié)晶條件與純金屬在負(fù)溫度梯度下的結(jié)晶條件相似,在固液界面上的突出部分可以向液相中突出相當(dāng)大的距離,在縱向生長(zhǎng)的同時(shí),又從其側(cè)面產(chǎn)生突出分枝,最終發(fā)展成樹枝晶組織。3-5共晶點(diǎn)和共晶線有什么關(guān)系？共晶組織一般是什么形態(tài)？如何形成的？答：共晶點(diǎn)和共晶線的關(guān)系：共晶轉(zhuǎn)變：在一定溫度下,由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出成分一定的兩個(gè)固相的轉(zhuǎn)變過程,稱為共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。在二元合金中,由相率可知,二元三相平衡時(shí),其自由度為零,即在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)必然存在一個(gè)三相共晶平衡轉(zhuǎn)變水平線,把這條水平相平衡線稱作共晶線。

6、把共晶線上對(duì)應(yīng)發(fā)生共晶反應(yīng)的液相合金成分點(diǎn)稱為共晶點(diǎn)。共晶組織的一般形態(tài)：共晶組織的形態(tài)很多,按其中兩相的分布形態(tài),可以分為層片狀、針片狀、棒條狀、樹枝狀、球狀、螺旋狀等。通常,金屬-金屬型的兩相共晶組織大多為層片狀或棒條狀,金屬-非金屬性的兩相共晶組織表現(xiàn)為針片狀樹枝狀、。共晶組織的形成過程：和純金屬及固溶體合金的結(jié)晶過程一樣,共晶轉(zhuǎn)變同樣要經(jīng)過形核和長(zhǎng)大的過程。在形核時(shí),生成相中的兩相必然一個(gè)在先,一個(gè)在后,首先形核的相稱為領(lǐng)先相。如果領(lǐng)先相是溶質(zhì)含量比較少的相,則多余的溶質(zhì)必然要從先結(jié)晶的晶體中排出,造成固液界面前沿液相中溶質(zhì)富集,為另一相的形核創(chuàng)造條件。而另一相在形核長(zhǎng)大時(shí)必然要排出多

7、余的溶劑原子向固液界面富集,在固液界面前沿形成溶質(zhì)的貧瘠區(qū),給領(lǐng)先相的形核又創(chuàng)造條件,于是兩生成相就這樣彼此交替的的形核長(zhǎng)大,最終形成共晶組織。反之亦然。3-6鉍（熔點(diǎn)為271.5°C）和銻（熔點(diǎn)為630.7°C）在液態(tài)和固態(tài)時(shí)均能彼此無限互溶，WBi=50%的合金在520C時(shí)開始凝固出成分為WSb=87%的固相。WBi=80%的合金在520C時(shí)開始凝固出成分為Wsb=64%的固相。根據(jù)上述條件，要求：1）繪出Bi-Sb相圖，并標(biāo)出各線和各相區(qū)的美稱。2）從相圖上確定Wsb=40%合金的開始結(jié)晶溫度和結(jié)晶終了溫度，并求出它在400C時(shí)的平衡相成分及其含量。答：1）相圖和相區(qū)

8、z5“5iSb&%2) T與T在相圖中已標(biāo)出，WSb=40%合金在400°C時(shí)的平衡相成分及其含量開終Sb可根據(jù)相圖和杠桿定律計(jì)算得出：根據(jù)相圖可以看出：在400C相平衡時(shí)，片相為WBi=80%的液相Bi-Sb合金，a相為WBi=50%的固相相Bi-Sb合金。1根據(jù)杠桿定律：L相的含量=(0.6-0.5)/(0.8-0.5)xlOO%=33.3%a相的含量=1-33.3%66.7%3-7根據(jù)下列試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出概略的二元共晶相圖：組員A的熔點(diǎn)為1000C，組員B的熔點(diǎn)為700C，Wb=25%的合金在500C結(jié)晶完畢，并由220/3%的先共晶a相與80/3%的(a+B)共晶體所組成

9、；WB=50%的合金在500C結(jié)晶完畢，并由40%的先共晶a相與60%的(a+B)共晶體所組成，而此合金中a相的總量為50%。答：LI權(quán)彳謖X晶為和三魚旬呂熱=窗趣底曬呼抽蹇L嚴(yán)爲(wèi)柚聞若處玄耳徭曲-心一冊(cè)4m站">3肩黑"曲艷宦.M-巧拓純£林為相謝監(jiān)£里嗎煤旦二土蘭二經(jīng)嘗護(hù)沁圧八2-M竝二二S/由隊(duì)A陰耳Z：彖心皿護(hù)必“字、小血4冬制二X必楓也賽書同乳：3-8組員A的熔點(diǎn)為1000°C，組員B的熔點(diǎn)為700°C，在800°C存在包晶反應(yīng):a(WB=5%)+L(Wb=50%)=B(Wb=30%)；在600C存在共晶反應(yīng)

10、：L(Wb=80%)=B(Wb=60%)+Y(WB=95%)；在400C存在共析反應(yīng)：B(WB=50%)=a(WB=2%)+Y(WB=97%).根據(jù)這些數(shù)據(jù)畫出相圖。答：厶滬'I3A平$3-9在C-D二元系中,D組員比C組員有較高的熔點(diǎn),C在D中的沒有固溶度。該合金系存在下述恒溫反應(yīng)：1) L(Wd=30%)+D=B(Wd=40%),700C2) L(Wd=5%)+B(WD=25%)=a(WD=10%)，500C丁oIC53) B(Wd=45%)+D=y(Wd=70%),600°C4) B(WD=30%)=a(WD=5%)+Y(WD=50%),400C根據(jù)以上數(shù)據(jù)，繪出概略的

11、二元相圖。答：2$P3-10由試驗(yàn)獲得A-B二元系的液相線和各等溫反映的成分范圍，如脫所示，在不違背相率的條件下，試將此相圖繪完，并填寫其中各相區(qū)的相名稱（自己假設(shè)名稱），并寫出各等溫反應(yīng)式。答：rL4L(3e(X斗答：錯(cuò)誤之處及原因：1) L+B與L+B兩個(gè)兩相區(qū)之間應(yīng)該有一條三相共存水平線。2) L、丫、6的三相平衡線應(yīng)該是一條溫度恒定的水平線，而不是斜線。原因：1)根據(jù)相接觸法則，在二元相圖中相鄰相區(qū)的相數(shù)相差一個(gè)(點(diǎn)接觸情況除外)，即兩個(gè)單相區(qū)之間必定有一個(gè)由著兩相所組成的兩相區(qū)，兩個(gè)兩相區(qū)之間必須以單相區(qū)或三相共存水平線隔開。2）當(dāng)壓力恒定是，根據(jù)相率F=C-P+1可知二元三相平衡是

12、，F(xiàn)為零，即獨(dú)立可變因素的數(shù)目為零，也就是二元三相平衡轉(zhuǎn)變必定是在溫度恒定的情況下進(jìn)行，而且三相的成分也是固定的。正確的相圖：3-12假定需要用WZn=30%的Cu-Zn合金和WSn=10%的Cu-Sn合金制造尺寸、形狀相同的鑄件，參照Cu-Zn合金和Cu-Sn合金的二元相圖（如圖），回答下述問題：1）那種合金的流動(dòng)性好？2）那種合金形成縮松的傾向大？3）那種合金的熱裂傾向大？4）那種合金的偏析傾向大？答：1) WZn=30%的Cu-Zn的流動(dòng)性要好。因?yàn)楣倘荏w合金的流動(dòng)性與合金相圖中液相線和固相線的水平距離和垂直距離有關(guān)，即與結(jié)晶的成分間隔和溫度間隔有關(guān)。成分間隔越大，固液界面越容易產(chǎn)生較寬

13、的成分過冷區(qū)域，造成固液界面前沿的液體樹枝狀形核，形成較寬的固液兩相混合區(qū)，這些樹枝晶體阻礙了金屬液的流動(dòng)；當(dāng)溫度間隔大時(shí)，則會(huì)給樹枝晶的長(zhǎng)大提供更多的時(shí)間，使枝晶發(fā)達(dá)彼此交錯(cuò)，進(jìn)一步降低了金屬液的流動(dòng)性。所以，由相圖可以明顯看出Wzn=30%的Cu-Zn的成分間隔和溫度間隔要小，流動(dòng)性要好。2) WSn=10%的Cu-Sn形成縮松的傾向大。因?yàn)閃Sn=10%的Cu-Sn的結(jié)晶成分間隔和溫度間隔大，結(jié)晶時(shí)樹枝晶發(fā)達(dá)，金屬液被枝晶分割嚴(yán)重，這些被分隔開的枝晶間的液體，在繼續(xù)凝固時(shí)得不到液體的補(bǔ)充，容易形成分散縮孔(縮松)。3) WSn=10%的Cu-Sn熱裂傾向大。因?yàn)閃Sn=10%的Cu-Sn的結(jié)晶成分間隔和溫度間隔大，使固溶體合金晶粒間存在一定量液相的狀態(tài)保持較