最新第三章 二元合金的相结构与结晶 - 答案

第二章纯金属的结晶2-3 为什么金属结晶时一定要有过冷度？影响过冷度的因素是什么？固态金属熔化时是否会出现过热？为什么？答：（1）因为金属结晶时存在过冷现象，是为了满足结晶的热力学条件，过冷度越大，固、液两项的自由能差越大，相变驱动力越大。

（2）过冷度随金属的纯度不同和本性不同，以及冷却速度的差异可以再很大范围内变化。

金属不同，过冷度也不同；金属的纯度越高，则过冷度越大；冷却速度越大，过冷度越大，反之，越小。

（3）会，当液态金属的自由能低于固态时，这时实际结晶温度高于理论结晶温度T m，此时，固态金属才能自发的转变为液态金属，称为过热。

2-4试比较均匀形核与非均匀形核的异同点。

答;均匀形核是指：若液相中各区域出现新相晶核的几率是相同的；非均匀形核：液态金属中存在微小的固相杂质质点，液态金属与型壁相接触，晶核可以优先依附现成的固体表面形核。

在实际的中，非均匀形核比均匀形核要容易发生。

二者形核皆需要结构起伏，能量起伏，过冷度必须大于临界过冷度，晶胚的尺寸必须大于临界晶核半径。

2-5说明晶体成长形状与温度梯度的关系？答;正温度梯度下以平面状态的长大形态，服温度梯度下以树枝状长大。

2-6简述铸锭三晶区形成的原因及每个晶区的性能特点？（1）表层细晶区形成原因：①型壁临近的金属液体产生极大过冷度满足形核的热力学条件；②型壁可以作为非均匀形核的基地。

该晶区特点：组织细密，力学性能较好，但该晶区较薄，一般没有多大的实际意义。

（2）柱状晶区的形成原因：①液态金属结晶前沿有适当的过冷度，满足形核要求；②垂直于型壁方向散热最快，晶体向相反的方向生长；③外因是散热的方向性；④内因是晶体晶体生长的各向异性。

该晶区的特点：相互平行的柱状晶接触面及相邻垂直的柱状晶区的交界面较为脆弱，并常聚集着易熔杂质和非金属夹杂物，使铸锭在热压力加工时，容易沿着这些脆弱面开裂，组织比较致密。

（3）中心等轴晶区形成特定：①中心液体达到过冷，加上杂质元素的作用，满足形核的要求；②散热失去方向性，晶核自由生长，长大速度差不多，长成等轴区。

第三章二元合金的相结构与结晶第一节合金中的相1、组成合金最基本、独立的物质叫组元。

一般来说组元是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。

2、组元间物理和化学的相互作用形成相。

3、相是合金中晶体结构相同、成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分。

4、相可以分为固溶体和金属化合物。

5、相不同、相的数量、大小及分布状态不同即成为不同的组织。

所以相是组织的基本组成物。

6、形成不同组织的原因是形成的条件不同。

7、组织是决定材料性能的一个极为重要的因素。

第二节合金的相结构1、相的具体分类和影响形成相种类的因素见课本。

2、固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。

（还有其他分类方法）形成间隙固溶体的溶质元素都是原子半径小于0.1nm的非金属元素。

3、溶质原子在溶剂原子间的分布没什么规律的固溶体称为无序固溶体。

溶质原子按一定的顺序和方向分布的固容体称为有序固溶体。

无序固溶体和有序固溶体都可以是置换固溶体也可以是间隙固溶体。

4、有序固溶体是介于固溶体和金属化合物之间的相，更接近与金属化合物。

5、当有序固溶体加热到一定温度时，将转变为无序固溶体。

缓慢冷却至这一温度时，又将转变为有序古溶体。

发生转变时性能也将突变，有序固溶体硬度及脆性显著提高，而塑形明显下降。

有序转变——无序转变是一种相变。

6、固溶体具有优越的综合力学性能。

大部分金属合金都是以固溶体为基体的。

7、金属化合物一般具有较高的熔点、硬度和脆性。

8、当合金中出现金属化合物时，将使合金的强度、硬度、耐磨性及耐热性提高，但塑性、韧性降低。

第三节二元合金相图的建立1、二元合金相图的建立方法和相律了解即可。

2、杠杆定律的使用3、杠杆定律适用于两相区。

无法确定三相区的成分。

不管怎么样的系统，当系统处于平衡状态时，都可以使用杠杆定律确定两相的含量。

4、无论是组织组成物还是相组成物，它们的相对含量都可以用杠杆定律计算。

只是杠杆的两个端点位置不同。

相组成物的端点在相图中平衡线与单相区的交点处。

金属学与热处理第二版（崔忠圻）答案第三章二元合金的相结构与结晶3-1 在正温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能呈树枝状生长，而固溶体合金却能呈树枝状成长？答：原因：在纯金属的凝固过程中，在正温度梯度下，固液界面呈平面状生长；当温度梯度为负时，则固液界面呈树枝状生长。

固溶体合金在正温度梯度下凝固时，固液界面能呈树枝状生长的原因是固溶体合金在凝固时，由于异分结晶现象，溶质组元必然会重新分布，导致在固液界面前沿形成溶质的浓度梯度，造成固液界面前沿一定范围内的液相其实际温度低于平衡结晶温度，出现了一个由于成分差别引起的过冷区域。

所以，对于固溶体合金，结晶除了受固液界面温度梯度影响，更主要受成分过冷的影响，从而使固溶体合金在正温度梯度下也能按树枝状生长。

3-2 何谓合金平衡相图，相图能给出任一条件下合金的显微组织吗？答：合金平衡相图是指在平衡条件下合金系中合金的状态与温度、成分间关系的图解，又称为状态图或平衡图。

由上述定义可以看出相图并不能给出任一条件下合金的显微组织，相图只能反映平衡条件下相的平衡。

3-3 有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的WNi=90%，另一个铸件的WNi=50%，铸后自然冷却。

问凝固后哪一个铸件的偏析严重？为什么？找出消除偏析的措施。

答：WNi=50%铸件凝固后偏析严重。

解答此题需找到Cu-Ni合金的二元相图。

原因：固溶体合金结晶属于异分结晶，即所结晶出的固相化学成分与母相并不相同。

由Cu-Ni 合金相图可以看出WNi=50%铸件的固相线和液相线之间的距离大于WNi=90%铸件，也就是说WNi=50%铸件溶质Ni的k0（溶质平衡分配系数）高，而且在相图中可以发现Cu-Ni合金铸件Ni的k0是大于1，所以k0越大，则代表先结晶出的固相成分与液相成分的差值越大，也就是偏析越严重。

消除措施：可以采用均匀化退火的方法，将铸件加热至低于固相线100-200℃的温度，进行长时间保温，使偏析元素充分扩散，可达到成分均匀化的目的。

第三章 二元合金的相结构与结晶(一)填空题 1 合金的定义是两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成具有金属特性的物质。

2．合金中的组元是指 组成合金最基本的、独立的物质 。

3．固溶体的定义是 在固态条件下，一种组元“组分”溶解了其它组元而形成的单相晶态固体4．Cr 、V 在γ-Fe 中将形成 置换 固溶体。

C 、N 则形成 间隙 固溶体。

5．和间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要 差 些。

6．当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出的树枝主轴含有较多的高熔点组元。

7．共晶反应的特征是 由一定成分的恶液相同时结晶出成分一定的两个固相 ，其反应式为 L →a+β8．匀晶反应的特征是 ，其反应式为9．共析反应的特征是 ，其反应式为10．合金固溶体按溶质原子溶入方式可以分为置换固溶体和间隙固溶体，按原子溶入量可以分为 有限固溶体 和 无限固溶体11．合金的相结构有 固溶体 和 金属化合物 两种，前者具有较高的 塑性变形 性能，适合于做 基体 相；后者有较高的 高硬度 性能，适合于做 增强 相12．看图4—1，请写出反应式和相区：ABC 包晶反应 B A C L γα⇔+ ；DEF 共晶反应F D C L βγ+⇔ ；GHI 共析反应I G H βαγ+⇔ ； ① L +α ；② γα+ ；③βα+ ；④ βγ+ ；⑤L +γ ；⑥ β+L ；13．相的定义是 ，组织的定义是14．间隙固溶体的晶体结构与溶剂的晶格类型 相同，而间隙相的晶体结构与 溶剂组元晶体结构 不同。

15．根据图4—2填出：水平线反应式 E C D βαγ+⇔ ；有限固溶体 βα、 、 无限固溶体 γ 。

液相线 ，固相线 ， 固溶线 CF 、 EG16．接近共晶成分的合金，其铸造性能较好；但要进行压力加工的合金常选用匀晶成分的合金。

17．共晶组织的一般形态是片状。

(二)判断题1．共晶反应和共析反应的反应相和产物都是相同的。

( N )2．铸造合金常选用共晶或接近共晶成分的合金，要进行塑性变形的合金常选用具有单相固溶体成分的合金。

机械工程材料思考题参考答案第一章金属的晶体结构与结晶1．解释下列名词点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，刃型位错，单晶体，多晶体，过冷度，自发形核，非自发形核，变质处理，变质剂。

答：点缺陷：原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，主要指空位间隙原子、置换原子等。

线缺陷：原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。

如位错。

面缺陷：原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。

如晶界和亚晶界。

亚晶粒：在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶块，它们相互镶嵌而成晶粒，称亚晶粒。

亚晶界：两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。

刃型位错：位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。

滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。

如果相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。

单晶体：如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶体。

多晶体：由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。

过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。

自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。

非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。

变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。

变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。

2.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、Pb 、Cr 、V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构？答：常见金属晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格；α－Fe、Cr、V属于体心立方晶格；γ－Fe 、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格；Mg、Zn属于密排六方晶格；3.配位数和致密度可以用来说明哪些问题？答：用来说明晶体中原子排列的紧密程度。

材料科学基础考试范围及复习题考试范围：要求掌握全部概念，重要知识点。

1.材料的结构：晶体结构的基本概念，金属晶体结构及其特点（三种重要晶体结构，晶系、布拉菲点阵，晶胞原子数，密排面，密排方向，密勒指数标定）。

2.纯金属的结晶：结晶现象（结晶、过冷度），晶核的形成（临界晶核、形核功），晶核的长大，金属铸锭的组织（三晶区结构）及缺陷。

3.二元合金的相结构与结晶：合金中的相（相及其分类），合金的相结构，二元合金相图的建立，二元合金相图。

4.铁碳合金：铁碳合金的组元及基本相，Fe-Fe3C相图分析，铁碳合金的平衡结晶过程及组织，含碳量对组织性能的影响，钢中杂质元素及钢锭组织。

（全部掌握）5.固体材料的塑性变形与断裂：金属的变形特性，单晶体的塑性变形（重点），多晶体的塑性变形，合金的塑性变形，塑性变形对组织和性能的影响（重点），金属的断裂。

6.回复与再结晶：形变金属与合金在退火过程中的变化，回复，再结晶及晶粒长大。

7.扩散：扩散的本质及机理，菲克定律（重点是第二定律及其重要解），影响扩散的因素。

一、填空题1. 每个面心立方晶胞中的原子数为 4 ，其配位数为12 。

3a, 配2.晶格常数为a的体心立方晶胞, 其原子数为 2 , 原子半径为4/位数为 6 ，致密度为 0.68 。

3. 刃型位错的柏氏矢量与位错线互相垂直 , 螺型位错的柏氏矢量与位错线互相平行。

4. 螺型位错的位错线平行于滑移方向，位错线的运动方向垂直于位错线。

5. 在过冷液体中，晶胚尺寸小于临界尺寸时不能自发长大。

6. 均匀形核既需要结构起伏，又需要能量起伏。

7. 纯金属结晶时，固液界面按微观结构分为光滑界面和粗糙界面。

8.纯金属的实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度，这种现象称为过冷，理论结晶温度与实际开始结晶温度之差称为过冷度。

9．合金中的基本相结构，有固溶体和金属化合物两类，其中前者具有较高的综合机械性能，适宜做基体相；后者具有较高的熔点和硬度，适宜做强化相。

二元合金的相结构与结晶考试试卷及参考答案一、填空题1 合金的定义是两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性的物质。

2．合金中的组元是指组成合金最基本的、能独立存在的物质。

3．固溶体的定义是合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。

4．Cr、V在γ-Fe中将形成置换固溶体。

C、N则形成间隙固溶体。

5．和间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要小些。

6．当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出的树枝主轴含有较多的高熔点组元。

7．共晶反应的特征是在同一温度下，由一定成分的液相转变成成分一定的两个固相（三相共存）。

在共晶点处凝固温度最低。

其反应式为L （液）→α（固）+ β（固）。

8．匀晶反应的特征是结晶出的晶体与母相化学成分不同（异分结晶），结晶在一定的温度范围内进行，其反应式为L→α9．共析反应的特征是在同一温度下，由一定成分的固相转变成成分一定的两个固相（三相共存）。

在共析点处析出温度最低。

，其反应式为γ→(α + β) 共析体。

10．合金固溶体按溶质原子溶入方式可以分为置换和间隙，按原子溶入量可以分为有限和无限11．合金的相结构有固溶体和金属化合物两种，前者具有较高的塑韧性能，适合于做基体相；后者有较高的硬度性能，适合于做强化相12．看图4—1，请写出反应式和相区：ABC 包晶线；DEF 共晶线；GHI 共析线；①L+α；②α +γ；③α；④γ+ β ；⑤L+γ ；⑥L+β ；13．相的定义是指合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分，组织的定义是在显微镜下能清楚地区分开的独立组成部分。

14．间隙固溶体的晶体结构与溶剂相同，而间隙相的晶体结构与溶剂不同。

15、同分凝固（结晶）的定义纯金属结晶时，所结晶出的固相成分与液相成分完全一样的结晶。

异分凝固（结晶）的定义固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分不同的结晶。