第三章二元合金相圖和合金的凝固

1、第三章 二元合金相圖和合金的凝固一名詞解釋相圖、相律、勻晶轉(zhuǎn)變、共晶轉(zhuǎn)變、包晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變、包析轉(zhuǎn)變、異晶轉(zhuǎn)變、平衡結(jié)晶、不平衡結(jié)晶、異分結(jié)晶、平衡分配系數(shù)、晶內(nèi)偏析、顯微偏析、區(qū)域偏析、區(qū)域提純、成份過冷、胞狀組織、共晶組織、亞共晶組織、過共晶組織、偽共晶、離異共晶、二填空題1. 相圖可用于表征合金體系中合金狀態(tài)與 和 之間的關(guān)系。2. 最基本的二元合金相圖有 、 、 。3. 根據(jù)相律，對于給定的金屬或合金體系，可獨立改變的影響合金狀態(tài)的內(nèi)部因素和外部因素的數(shù)目，稱為 ，對于純金屬該數(shù)值最多為 ，而對于二元合金該數(shù)值最多為 。4. 典型的二元合金勻晶相圖，如Cu-Ni二元合金相圖，包含 、

2、 兩條相線， 、 、 三個相區(qū)。5. 同純金屬結(jié)晶過程類似，固溶體合金的結(jié)晶包括 和 兩個基本過程 。6. 勻晶反應(yīng)的特征為_，其反應(yīng)式可描述為_ 。7. 共晶反應(yīng)的特征為_，其反應(yīng)式可描述為_ _。8. 共析反應(yīng)的特征為_，其反應(yīng)式可描述為_。9. 金屬或合金在極緩慢冷卻條件下進(jìn)行的結(jié)晶過程稱為 。純金屬結(jié)晶時所結(jié)晶出的固相成分與液相成分 ，稱為 ；而固溶體合金結(jié)晶時所結(jié)晶出的固相成分與液相成分 ，稱為 。10. 固溶體合金經(jīng)不平衡結(jié)晶所產(chǎn)生的兩類成分偏析為 、 。11. 固溶體合金產(chǎn)生晶內(nèi)偏析的程度受到溶質(zhì)原子擴散能力的影響，若結(jié)晶溫度較高，溶質(zhì)原子的擴散能力小，則偏析程度 。如磷在鋼中的

3、擴散能力較硅小，所以磷在鋼中的晶內(nèi)偏析程度較 ，而硅的偏析較 。12. 固溶體合金結(jié)晶后出現(xiàn)枝晶偏析時，結(jié)晶樹枝主軸含有較多的_組元。嚴(yán)重的晶內(nèi)偏析降低合金的 ，為消除枝晶偏析，工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用 的方法。13. 根據(jù)區(qū)域偏析原理，人們開發(fā)了 ，除廣泛用于提純金屬、金屬化合物外，還應(yīng)用于半導(dǎo)體材料及有機物的提純。通常，熔化區(qū)的長度 ，液體的成分 ，提純效果越好。14. 影響二元合金固溶體晶體生長形態(tài)的主要因素有 、 、 。15. 在某些二元系合金中，當(dāng)液體凝固完畢后繼續(xù)冷卻時，在固態(tài)下還會發(fā)生各種形式的相變，如 、 、 。三選擇題1可用于測定二元合金臨界點，建立相圖的方法有_。A、電阻法 B、

4、熱分析法C、金相分析法 D、X射線結(jié)構(gòu)分析法2二元合金固溶體的晶體結(jié)構(gòu)為_。A、溶劑的晶型 B、溶質(zhì)的晶型 C、復(fù)雜晶型 D、其它晶型3固溶體合金在形核時，需要_。A、成份起伏B、結(jié)構(gòu)起伏C、成份過冷D、能量起伏4勻晶合金在較快冷卻條件下結(jié)晶時將產(chǎn)生_。A、枝晶偏析B、宏觀偏析C、晶內(nèi)偏析D、區(qū)域偏析5共晶反應(yīng)是指_。A、液相固相固相 B、固相固相固相 C、從一個固相內(nèi)析出另一個固相 D、從一個液相內(nèi)析出另一個固相6共析反應(yīng)是指_。A、液相固相固相 B、固相固相固相 C、從一個固相內(nèi)析出另一個固相 D、從一個液相內(nèi)析出另一個固相7當(dāng)二元合金進(jìn)行共晶反應(yīng)時，其相組成是_。A、由單相組成B、兩相共

5、存 C、三相共存D、四相共存8共晶成分的二元合金在剛完成共晶反應(yīng)后的組織組成物為_。A、L B、L C、 D、L9共析成分的合金在共析反應(yīng)剛結(jié)束時，其組成相為：A、B、C、D、+10一個合金的組織為，其組織組成物為：A、B、1、（+）C、1D、1、11具有勻晶相圖的單相固溶體合金_。A、鑄造性能好B、鍛壓性能好 C、熱處理性能好 D、切削性能好12二元合金中，共晶成分的合金_。A、鑄造性能好 B、鍛造性能好 C、焊接性能好 D、切削性能好13正常凝固條件下，鑄錠的宏觀組織由_組成。A、表層細(xì)晶區(qū)B、表層粗晶區(qū) C、柱狀晶區(qū) D、等軸晶區(qū)14實際生產(chǎn)中，影響鑄錠鑄態(tài)組織的因素有_。A、融化溫度B

6、、鑄模溫度 C、澆注速度 D、鑄錠形狀15常見鑄錠或鑄件缺陷包括_。A、集中縮孔B、枝晶偏析 C、比重偏析 D、澆注冒口四判斷題1. 二元系合金中，杠桿定律只能測定兩相區(qū)中相的成分與相對含量。（ ）2. 二元相圖既可反映二元系合金相在平衡條件下的平衡關(guān)系，又可反映組織的平衡。（ ）3. 根據(jù)相律計算，在勻晶相圖中的兩相區(qū)內(nèi)，其自由度為2，即溫度與成分這兩個變量都可以獨立改變。（ ）4. 純金屬的結(jié)晶需在恒定溫度下進(jìn)行，固溶體合金的結(jié)晶則需在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。（ ）5. 二元合金固溶體在形核時，與純金屬相同，既需要能量起伏，又需要結(jié)構(gòu)起伏和成分起伏。（ ）6. 在共晶線上利用杠桿定律可以計算

7、出共晶體的相對量，而共晶線屬于三相區(qū)，所以杠桿定律不僅適用于兩相區(qū)，也適用于三相區(qū)。（ ）7. 為保證固溶體合金的平衡結(jié)晶，只需維持固相與液相通過界面進(jìn)行的溶質(zhì)原子及溶劑原子的擴散。（ ）8. 固溶體合金無論在平衡或非平衡結(jié)晶過程中，液/固界面上液相成分沿著液相平均成分線變化；固相成分沿著固相平均成分線變化。（ ）9. 盡管固溶體合金的結(jié)晶速度很快，但在凝固的某一瞬間，A、B組元在液相與固相內(nèi)的化學(xué)位均是相等的。（ ）10. 二元合金在結(jié)晶過程中析出的初生相和次生相具有不同的晶型和組織形態(tài)。（ ）11. 某一二元合金的室溫組織為，表明該合金由三相組成。（ ）12. 不平衡結(jié)晶條件下，靠近共晶線

8、端點內(nèi)側(cè)的合金比外側(cè)的合金易于形成離異共晶組織。（ ）13. 具有包晶轉(zhuǎn)變的合金，室溫時的相組成物為，其中相均是包晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。14. 固溶體合金非平衡結(jié)晶時，只要液/固界面前沿液相中溶質(zhì)原子分布均勻一致，就可以減小合金中的顯微偏析。（ ）15. 固溶體合金存在枝晶偏析時，因主軸成分與枝間成分不同，最終形成的樹枝晶不應(yīng)是一個相。（ ）16. 將固溶體合金棒反復(fù)多次“熔化凝固”，并采用定向快速凝固的方法，可以有效提純金屬。（ ）17. Cu-Ni合金不平衡結(jié)晶過程中，液/固界面推進(jìn)速度越快，晶內(nèi)偏析越嚴(yán)重。（ ）18. 經(jīng)平衡結(jié)晶獲得的20Ni的CuNi合金比40Ni的CuNi合金的硬度和強度要高

9、。（ ）19. 厚薄不均勻的CuNi合金鑄件，結(jié)晶后薄處易形成樹枝狀組織，而厚處易形成胞狀組織。（ ）20. 從產(chǎn)生成分過冷的條件可知，合金中溶質(zhì)濃度越高，成分過冷區(qū)域小，越易形成胞狀組織。（ ）21. 具有共晶轉(zhuǎn)變的二元合金，產(chǎn)生偽共晶的原因是因為合金凝固時的冷卻速度太慢。（ ）22. 在二元亞共晶或共晶合金的凝固過程中可采取降低冷卻速度的方法防止或減輕比重偏析。（ ）五簡答題1. 簡述固溶體合金與純金屬平衡結(jié)晶過程的異同點。2. 簡述固溶體合金結(jié)晶形核條件。3. 以二元合金相圖為例，簡述相圖的分析步驟及用途。4. 比較共晶轉(zhuǎn)變與共析轉(zhuǎn)變的異同點5. 請畫出共晶反應(yīng)的示意圖，寫出反應(yīng)式，并試

10、用相律說明相圖上三相共存條件。6. 請畫出包晶反應(yīng)的示意圖，寫出反應(yīng)式，并試用相律說明相圖上三相共存條件。7. 如何形成成分過冷？影響因素有哪些？成分過冷對固溶體合金生長形態(tài)有何影響？8. 如何根據(jù)相圖大致判斷合金的力學(xué)性能、物理性能和鑄造性能？9. 影響枝晶偏析的因素有哪些？枝晶偏析對金屬的性能有何影響？如何消除？10. 什么是區(qū)域偏析？如何利用區(qū)域熔煉法提純金屬？11. 舉例說明如何利用包晶轉(zhuǎn)變細(xì)化固溶體合金的晶粒？ 12. 偽共晶如何形成？偽共晶對固溶體合金的機械性能有何影響？13. 什么是離異共晶？離異共晶對金屬性能有何影響，如何消除？14. 實際生產(chǎn)中，如何控制金屬鑄錠的宏觀組織？1

11、5. 如何防止或減輕金屬鑄錠與鑄件的鑄造缺陷？六. 綜合論述題1. 試述固溶體合金結(jié)晶相變的熱力學(xué)條件、動力學(xué)條件、能量及結(jié)構(gòu)條件。2. 為什么金屬結(jié)晶時必須過冷？試從過冷度對金屬結(jié)晶時基本過程的影響，分析細(xì)化晶粒、提高金屬材料常溫機械性能的措施。3. 根據(jù)Pb-Sn合金相圖（圖3-1），分別畫出WSn=28%的亞共晶合金和WSn=70%的Pb-Sn共晶合金的冷卻曲線，同時繪出曲線上各階段合金的組織示意圖（F點成分為WSn=2% ，G點成分為WSn=99%），并求出在183共晶轉(zhuǎn)變完畢時WSn=28%亞共晶合金組織組成物和相組成物的相對含量。L圖3-1 Pb-Sn二元合金相圖4. 根據(jù)Pt-A

12、g相圖（圖3-2），畫出WAg=22%和WAg=76%合金的冷卻曲線，同時繪出曲線上各階段合金的組織示意圖（E點成分為WAg=2% ，F(xiàn)點成分為WAg=92%），并求出WAg=22%的合金冷至室溫時組織中有哪幾個相及相的相對含量。圖3-2 Pt-Ag二元合金相圖5. 試畫出由兩個包晶反應(yīng)，一個共晶反應(yīng)和一個包析反應(yīng)組成的二元合金相圖。6. 根據(jù)下列條件，請畫出概略的C-D二元相圖：(1) L (WD=30%) + D b (WD=4%)(2) L (WD=5%) +b (WD=25%) a (WD=10%)(3) b (WD=45%) + D g (WD=70%)(4) b (WD=30%)

13、a (WD=5%) + g (WD=50%)7. 某二元合金系中，組元A的熔點為1000，組元B的熔點為700，在800時存在包晶反應(yīng)：a（5%B）+ L（50%B）b（30%B）；在600時存在共晶反應(yīng)： L（80%B）b（60%B）+g（95%B）； 在400時發(fā)生共析反應(yīng)：b（50%B） a（2%B）+ g（97%B）。試根據(jù)上述數(shù)據(jù)畫出相圖。8. 已知某二元系合金的A、B組元在液態(tài)時無限互溶，在固態(tài)時可形成共晶，共晶成分為w(B)=35%。A組元在B組元中有限互溶，溶解度在共晶溫度時為10，B組元在A組元中不能溶解，且B組元比A組元的硬度高。請畫出該二元合金相圖的示意圖，并標(biāo)出各區(qū)域的相組成物和組織組成物，然后再根據(jù)相圖畫