第三章 二元合金的相结构与结晶 - 答案

习题与思考题绪论(—)填空题1)机械设计常用和两种强度指标。

2)设计刚度好的零件，应根据指标来选择材料。

3)冲击韧性的单位是；延伸率的单位是；屈服强度的单位是。

(二)判断题1)抗氧化性就是指材料在高温下完全不被氧化的性能。

〔〕2)材料硬度越低，其切削加工性能就越好。

〔〕3)金属材料的导电导热性能远高于非金属材料。

〔〕4)σs和σ都是材料的屈服强度。

〔〕5)材料的E值越大，其塑性越差。

〔〕6)用断面收缩率ψ表示塑性更接近材料的真实应变。

〔〕(三)选择题1 低碳钢拉伸试验时，其变形过程可简单分为几个阶段。

A．弹性变形、塑性变形、断裂 B．弹性变形、断裂C 塑性变形、断裂 D．弹性变形、条件变形、断裂2．低碳钢拉伸应力一应变图中，σ-E曲线上对应的最大应力值称为A．弹性极限 B．屈服强度 C 抗拉强度 D．断裂强度3．材料开始发生塑性变形的应力值叫做材料的A．弹性极限 B．屈服强度 C 抗拉强度 D．条件屈服强度第一章金属的晶体结构(一)填空题1)晶体与非晶体的最根本区别是2)金属晶体中常见的点缺陷是，最主要的面缺陷是。

3)表示晶体中原子排列形式的空间格子叫做，而晶胞是指。

4)在常见金属晶格中，原子排列最密的晶向，体心立方晶格是，而面心立方晶格是。

5)晶体在不同晶向上的性能是，这就是单晶体的现象。

一般结构用金属为晶体，在各个方向上性能，这就是实际金属的现象。

6)实际金属存在有、和三种缺陷。

位错是缺陷。

实际晶体的强度比理想晶体的强度得多。

7)常温下使用的金属材料以晶粒为好。

而高温下使用的金属材料在一定范围内以晶粒为好。

8)金属常见的晶格类型是、、。

9)在立方晶系中，某晶面在x轴上的截距为2，在y轴上的截距为1/2；与z轴平行，则该晶面指数为 .10)金属具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽主要是因为金属原子具有的————结合方式。

11)同素异构转变是指。

纯铁在温度发生和多晶型转变。

12)金属原子结构的特点是。

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W Ni=90%，另一个铸件的W Ni=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：W Ni=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W Ni=50%铸件的固相线和液相线之间的距离大于W Ni=90%铸件，也就是说W Ni=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. Cr、V在γ-Fe中将形成固溶体。

C、N则形成固溶体。

2. 与间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要一些。

3. 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熔点组元。

4. 共晶反应的特征是，其反应式为。

5. 匀晶反应的特征是，其反应式为。

6. 共析反应的特征是，其反应式为。

7. 合金固溶体按溶质原子所处位置可分为和，按原子溶入量可以分为和。

8. 合金的相结构有和两种，前者具有较高的性能，适合于做相；后者有较高的性能，适合于做相。

9.间隙固溶体的晶体结构与相同，而间隙相的晶体结构与不同。

10.接近共晶成分的合金，其性能较好。

11.共晶组织的一般形态是。

12.固溶体合金，在铸造条件下，容易产生_______ 偏析，用__________ 方法处理可以消除。

13.K0<1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越小，成分偏析越____ , 提纯效果越_____；而K0>1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越大，成分偏析越____ , 提纯效果越_____。

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。

( )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。

( )3.合金的强度与硬度不仅取决于相图类型，还与组织的细密程度有较密切的关。

( )4.置换固溶体可能形成无限固溶体，间隙固溶体只可能是有限固溶体。

( )5.合金中的固溶体一般说塑性较好，而金属化合物的硬度较高。

( )6.共晶反应和共析反应都是在一定浓度和温度下进行的。

( )7.共晶点成分的合金冷却到室温下为单相组织。

( )8.初生晶和次生晶的晶体结构是相同的。

( )9.根据相图，我们不仅能够了解各种合金成分的合金在不同温度下所处的状态及相的相对量，而且还能知道相的大小及其相互配置的情况。

( )10.亚共晶合金的共晶转变温度与共晶合金的共晶转变温度相同。

第三章复习题（合金的结晶和合金化原理）1、由于物质中热能（Q）或成分(C)不均匀所引起的宏观和微观迁移现象统称为扩散现象。

2、在研究空间内温度或浓度不随时间而变化的扩散称为稳态扩散。

3、在研究空间内温度或浓度随时间而变化的扩散称为非稳态扩散。

4、单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散通量与温度或浓度梯度成正比，这一规律称为扩散第一定律。

5、不属于恒温转变的是合金液相结晶成一个固相。

6、由一个液相同时结晶出两种固相的转变称为共晶转变。

7、由一个液相和一个固相反应生成另外一种固相的转变称为包晶转变。

8、由共晶转变得到的两相混合组织称为共晶组织。

9、某合金结晶时先发生L→a，然后又发生L+a→b，完成结晶后只有b相，则该合金称为包晶合金。

10、不属于恒温转变的是合金液相结晶成一个固相。

11、由一个液相同时结晶出两种固相的转变称为共晶转变。

12、由一个液相和一个固相反应生成另外一种固相的转变称为包晶转变。

13、由共晶转变得到的两相混合组织称为共晶组织。

14、某合金结晶时先发生L→a，然后又发生L+a→b，完成结晶后只有b相，则该合金称为包晶合金。

15、在只有固态下发生的相变称为固态相变。

16、固溶体随温度降低，溶解度减小，多余的溶质原子形成另一种固溶体或化合物的过程称为脱溶沉淀。

17、由一个固相同时转变成两种成分不同但晶体结构相同且与母相晶体结构也相同的转变称为调幅分解。

18、由一个固相同时转变成两种固相的转变称为共析转变。

19、由两个固相转变成一种固相的转变称为包析转变。

20、原子扩散的结果使成分更均匀或形成新的相。

我的答案：√21、温度越高，扩散系数越小，扩散速度越慢。

我的答案：×22、渗碳温度越高，渗碳速度越快。

我的答案：√23、气氛碳势小于工件表面含碳量时气氛中的碳原子向工件内扩散。

我的答案：×24、工件表面与介质之间的换热系数越大，则工件加热或冷却速度越快，工件内的温度梯度也越大。

第二章纯金属的结晶、二元匀晶相图（含答案）一、填空题（在空白处填上正确的内容）1、纯金属的结晶过程是由________和________这两个基本过程所组成的。

答案：形核、晶粒长大2、金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象叫做________，理论结晶温度与实际结晶温度之差叫做________。

答案：过冷、过冷度3、晶核的生成、存在有两种方式，即________和________。

答案：自发形核、非自发形核4、控制金属结晶后晶粒大小的主要途径有________、________和________三种。

答案：增大过冷度、变质处理、振动与搅拌5、生产中，在金属进行结晶时辅以机械振动，其目的是________。

答案：细化晶粒6、相图是表示平衡条件下物质的状态与________和________之间关系的简明图解。

答案：温度、成份7、一般来说金属的结晶是指金属由________转变为________的过程，也就是原子由不规则排列逐步过渡到规则排列的过程。

答案：液体、晶体（固体）8、金属结晶的过程为________和________。

答案：形核、晶粒长大9、在二元合金相图上，横坐标为________，纵坐标为________，图中的区域为________。

答案：成份、温度、相10、金属结晶的过程为________和________。

答案：形核、长大11、生产中，当金属进行结晶时辅以机械振动，其目的是________。

答案：细化晶粒12、在金属结晶过程中，细化晶粒的主要方法有________、________和________。

答案：增加过冷度、变质处理、振动与搅拌13、纯金属的结晶过程是由________和________这两个基本过程所组成的。

答案：形核、晶粒长大14、生产中常见的细化晶粒的方法有________、________和________三种。

答案：增大过冷度、变质处理、振动与搅拌15、合金相图是表示在平衡条件下，合金的状态有规律地随________和________的变化而变化的图解。

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。

金属学与热处理总结一、金属的晶体结构重点内容：面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，八面体、四面体间隙个数；晶向指数、晶面指数的标定；柏氏矢量具的特性、晶界具的特性。

基本内容：密排六方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，密排面上原子的堆垛顺晶胞：在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，用来分析原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。

金属键：失去外层价电子的正离子与弥漫其间的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。

位错：晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。

位错的柏氏矢量具有的一些特性：①用位错的柏氏矢量可以判断位错的类型；②柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量与回路起点及回路途径无关；③位错的柏氏矢量个部分均相同。

刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型平行；混合型呈任意角度。

晶界具有的一些特性：①晶界的能量较高，具有自发长大和使界面平直化，以减少晶界总面积的趋势；②原子在晶界上的扩散速度高于晶内，熔点较低；③相变时新相优先在晶界出形核；④晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚；⑤晶界易于腐蚀和氧化；⑥常温下晶界可以阻止位错的运动，提高材料的强度。

二、纯金属的结晶重点内容：均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系；细化晶粒的方法，铸锭三晶区的形成机制。

基本内容：结晶过程、阻力、动力，过冷度、变质处理的概念。

铸锭的缺陷；结晶的热力学条件和结构条件，非均匀形核的临界晶核半径、临界形核功。

相起伏：液态金属中，时聚时散，起伏不定，不断变化着的近程规则排列的原子集团。

过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。

变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促使形成大量的非均匀晶核，以细化晶粒的方法。

过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。

从热力学的角度上看，没有过冷度结晶就没有趋动力。

根据 T R k ∆∝1可知当过冷度T ∆为零时临界晶核半径R k 为无穷大，临界形核功（21T G ∆∝∆）也为无穷大。