第三章 二元合金的相结构与结晶 - 答案
第三章 合金的相结构和结晶
3.2 合金的相结构
固态合金中的相结构可分为固溶体和金属化 合物两大类。
3.2.1固溶体
合金的组元之间以不同比例相互混合后形 成的固相，其晶体结构与组成合金的某一组元 的相同，这种相称为固溶体。与固溶体结构相 同的组元为溶剂，另一组元为溶质。碳钢和合 金钢，均以固溶体为基体相。
一、固溶体的分类
1、按溶质原子在溶剂晶格中所占位置分类 置换固溶体和间隙固溶体
相图是表示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，也称为平衡图或状态图。 平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各 相的成分和质量分数不再变化所达到的一种状态。
一、二元相图的表示方法
合金存在的状态通常 由合金的成分、温度 和压力三个因素确定。 常压 表象点
二、二元合金相图的测定方法
第三章 二元合金的相结构与结晶
合金：指两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔 炼或烧结，或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。 纯金属和合金的比较： 纯金属强度一般较低，不适合做结构材料 因此目前应用的金属材料绝大多数是合金，如应用最广泛的 碳钢和铸铁就是铁和碳的合金，黄铜就是铜和锌的合金。 合金性能优良的原因： 合金的相结构 合金的组织状态：合金相图
2、固溶体合金的结晶需要一定的温 度范围
固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围内进行， 在此温度范围内的每一温度下，只能结晶出一定数 量的固相。随着温度的降低，固相的数量增加，同 时固相和液相的成分分别沿着固相线和液相线而连 续地改变，直至固相的成分与原合金的成分相同时， 才结晶完毕。这就意味着，固溶体合金在结晶时， 始终进行着溶质和溶剂原子的扩散过程，其中不但 包括液相和固相内部原子的扩散，而且包括固相与 液相通过界面进行原子的互扩散，这就需要足够长 的时间，才得以保证平衡结晶过程的进行。
金属学与热处理课后答案(崔忠圻版)
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。
金属学与热处理 3.3
还有少量液相残留，最后这些液相转变为共晶体，形成不平衡共晶组织。
共晶系合金的不平衡凝固
思考题
1. 在共晶合金系中，只有共晶成分的合金才能发生共晶转变。
A是 B否
答案：B 成分在共晶线宽度范围内的合金冷却到共晶温度时，未凝固的液相成分沿 液相线变化到共晶点，而进行共晶转变。因此，并不是只有共晶合金才发 生共晶反应。
思考题
4. 二元相图中的共晶线 A 是一条水平线直线； B 是一个三相区（L, α, β）； C 一般是一条斜线，水平线是特殊情况。
答案：AB 因为共晶反应是恒温转变，反映在相图上只能是一条水平线；共晶反应时三相 共存，所以共晶线也是一个三相区。
思考题
5. 根据Pb-Sn相图，应用杠杆定律计算40%Sn合金的共晶组织中的α相占全 部合金的相对量。
思考题
6、简单总结伪共晶、不平衡共晶和离异共晶的特点。 伪共晶——靠近共晶点附近的合金得到了全部共晶组织； 离异共晶——共晶组织没有显示出共晶的特征； 不平衡共晶——在不应该出现共晶的合金里出现了共晶组织。
相图计算
1. 固溶体合金的相图如图所示，试根据相图确定：
(a) 成分为40%B的合金首先凝固出来的固
前沿液相中原子扩散示意图
共晶生长的搭桥机制
当两个固相都是金属性较强相时，共晶体一般生长成层片状。当两相的
相对数量比相差悬殊时，在界面能的作用下，数量较小的相将收缩为条、
棒状，更少时为纤维状，甚至为点(球)状。
当有一相或两相都具有较强的非金属性时，它们表现出较强的各向异性，
不同方向的生长速度不同，并且有特定的角度关系，同时生长过程要求
共晶体的形成
成分互惠－交替形核
片间搭桥－共同生长
金属学与热处理复习题
第一章 复习题晶向指数相同，符号相反的为同一条直线原子排列相同但空间位向不同的所有晶向晶面指数的数字和顺序相同，符号相反则两平面互相平行晶面的空间位向不同但原子排列相同的所有晶面当一个晶向[uvw]与一个晶面（hkl ）平行时hu+kv+lw=0当一个晶向[uvw]与一个晶面（hkl ）垂直时h=u ，K=v ，l=w晶体的各向异性原因: 在不同晶面上的原子紧密程度不同纯铁冷却时在912 发生同素异晶转变是从 结构转变为 结构，配位数 ，致密度降低 ，晶体体积 ，原子半径发生 。
面心立方晶胞中画出）（211晶面和]211[晶向刃型位错的四个特征（作业）螺型位错的四个特征（作业）面心立方（FCC ） 体心立方（BCC ） 密排六方（HCP ）晶胞原子数原子半径配位数致密度同素异构转变定义--18页晶体缺陷的分类：常见的点缺陷：常见的面缺陷：第二章 复习题一、填空1、金属结晶两个密切联系的基本过程是 和2 、金属结晶的动力学条件为3 、金属结晶的结构条件为4 、铸锭的宏观组织包括5、如果其他条件相同，则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的晶粒更细 ，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的晶粒 粗大 ，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的晶粒更细，薄铸件的晶粒比厚铸件晶粒更细 。
二、问答1、金属的结晶形核45页2、金属的长大的要点52页2、铸锭三晶区名称及形成过程（柱状晶为重点）3、影响柱状晶生长的因素56-57页三、名词解释：1、细晶强化2、变质处理3、铸造织构第三章二元合金的相结构与结晶作业题（复习题）1、概念合金、相、固溶体、固溶强化、、离异共晶、伪共晶2、填空1）固溶体按照溶质原子在晶格中所占位置分为和。
2）固溶体按照固溶度不同分为和。
3）置换固溶体溶解度的影响因素有、、、、和温度。
4）置换固溶体中原子半径相对差别Δr 8%且两者的晶体结构相同时才有可能形成无限固溶体。
5）间隙固溶体形成无限固溶体（填“有可能”“不可能”）6）正温度梯度下：随成分过冷程度增大分别形成、和。
金属学和热处理课后习题集答案解析第三章
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
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 金属的结晶与二元合金相图
液相区L 双相区L+α 固相区α 液相线 固相线
固相区
匀 晶 相 图 合 金 的 结 晶 过 程 (P33)
☆在不同温度下刚刚结晶出来的固相的化学成分是 不相同的,其变化规律是沿着固相线变化.与此同 时剩余液相的化学成分也相应地沿着液相线变化.
2,晶内偏析——枝晶偏析 (P33)
晶内偏析: 晶内偏析: 在一个晶粒内,各处 成分的不均匀现象. 因为金属通常以枝晶 方式结晶,先形成的 主干和后形成的支干 就会有化学成分之差, 枝晶偏析. 所以也称枝晶偏析 枝晶偏析
第一节 金属结晶的基础知识
一,金属结晶的温度与过冷现象(P26) 金属结晶的温度与过冷现象 3,过冷度(△T):理论结晶温度与实际结 过冷度( 晶温度之差.对于纯金属: △T= T0- Tn 4,金属的结晶都 是在一定的过冷 度下进行的,这 种现象称过冷现 过冷现 象.
第一节 金属结晶的基础知识
(二)共晶相图 1,相图分析 (P35)
7)α固溶体溶解度变化曲线——cf 8) β固溶体溶解度变化曲线——eg 9)三个单相区:L,α,β
10)液相线——adb 11)固相线——acdeb 12)共晶线——cde
(二)共晶相图 1,相图分析 (P35)
13)三个两相区:L+α,L+β,α+β 14)一个三相区:L+α+β,在共晶转变过程中三相同时存在.
第一节 金属结晶的基础知识
一,金属结晶的温度与过冷现象(P26) 金属结晶的温度与过冷现象 1,理论结晶温度 0: 又称平衡结晶温度. 理论结晶温度T 理论结晶温度 (冷速极慢)也就是金属的熔点Tm. 2,实际结晶温度 n:在某一实际冷却速度下 实际结晶温度T 实际结晶温度 的结晶温度.
工程材料习题及其答案
4、为了保持冷塑性变形金属的强度和硬度，应采用 去应力 退火；为了降低冷塑性变形金属的 强度和硬度，应采用 再结晶 退火。
7.钢的热处理
一、名词解释 淬透性: 是指奥氏体化后的钢在淬火时获得淬透层深度的能力。 回火脆性: 淬火钢在某些温度回火时，其冲击韧性显著下降的现象。 调质: 淬火加高温回火。 淬硬性: 表示钢淬火后所能达到的最高硬度，取决于钢的含碳量。
c.过冷度越小，晶粒越细 d.过冷度越小，晶粒越粗
填空 1、实际金属中存在有点缺陷 、线缺陷 、 面缺陷缺陷。其中，位错是 线 缺 陷，晶界是面 缺陷。
2、金属在结晶过程中，冷却速度越大，则过冷度越 大 ，晶粒越 细 ，强 度越 高 ，塑性越 好 。 3、金属的结晶主要由 形核 和 长大 两个基本过程组成。 4、在金属结晶过程中，细化晶粒的方法主要有 增大过冷度 、 变质处理 和 振动搅拌 。
a.钢的含碳量 b.马氏体的含碳量
c.钢的淬透性 d.淬火介质与淬火方法
5、影响钢淬透性的因素主要是（ d ）
a．工件尺寸 b．冷却速度 c．淬火方法 d．钢的化学成分
6、马氏体的硬度主要取决于（ c ）
a.钢的淬透性
b.钢的含碳量
c.马氏体的含碳量 d.残余奥氏体的量
四、填空
1、共析钢的正火组织为 层片 状S，而调质组织为 粒 状S，其综合机械性能 前者 低于 后者。
4、某工厂用冷拉钢丝绳吊运出炉的热处理工件去淬火，钢丝绳承载能力远远超过工件的重量，
但在工件吊运过程中，钢丝绳却发生拉长断裂，其断裂原因是由于钢丝绳：（ b ）
a.超载 b.发生再结晶 c.形成带状组织 d.产生加工硬化
5、体心立方晶格金属与面心立方晶格金属在塑性上的差别，主要是由于两者的（ b ）
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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+β
8．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+⇔；
①L +α；②γα+；③βα+；④βγ+；⑤L +γ；⑥β+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 、EG
16．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。
( Y)
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系。
( Y) 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。
( Y) 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。
( Y )
6．共晶反应和共析反应都是在一定浓度和温度下进行的。
( Y)
7．共晶点成分的合金冷却到室温下为单相组织。
( N)
8．初生晶和次生晶的晶体结构是相同的。
( Y )
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。
( Y )
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。
( Y )
11．过共晶合金发生共晶转变的液相成分与共晶合金成分是一致的。
( Y)
(三)选择题
1．固溶体的晶体结构是A
A．溶剂的晶型B．溶质的晶型 C 复杂晶型D．其他晶型
2 金属化合物的特点是C
A．高塑性B．高韧性 C 高硬度D．高强度
3．当匀晶合金在较快的冷却条件下结晶时将产生D
A．匀晶偏析 B 比重偏析C．枝晶偏析D．区域偏析
4．当二元合金进行共晶反应时，其相组成是C
A．由单相组成 B 两相共存 C 三相共存D．四相组成
5．当共晶成分的合金在刚完成共晶反应后的组织组成物为C
A. α+βB．(α＋L) C．(α+β) D．L＋α+β
6．具有匀晶型相图的单相固溶体合金B
A．铸造性能好B．锻压性能好 C 热处理性能好D．切削性能好
7．二元合金中，共晶成分的合金A
A．铸造性能好 B 锻造性能好 C 焊接性能好D．热处理性能好
8．共析反应是指B
A．液相→固相Ⅰ+固相Ⅱ B 固相→固相Ⅰ+固相Ⅱ
C．从一个固相内析出另一个固相 D 从一个液相中析出另一个固相
9．共晶反应是指A
A．液相→固相Ⅰ+固相Ⅱ B 固相→固相Ⅰ+固相Ⅱ
C．从一个固相内析出另一个固相 D 从一个液相中析出另一个固相
10．固溶体和它的纯金属组元相比D
A．强度高，塑性也高些 B 强度低，但塑性高些
C 强度低，塑性也低些
D 强度高，但塑性低些
(四)计算题
1．一个二元共晶反应如下：L(W(B)＝75％)→α(W(B)＝15％)+β(W(B)=95％)
(1)求w(B)＝50％的合金完全凝固时初晶α与共晶(α十β)的重量百分数，以及共晶体中
α相与β相的重量百分数；
(2)若已知显微组织中β初晶与(α+β)共晶各占一半，求该合金成分。
2．若要配制四个不同成分的Pb—Sn合金30g，其组织要求为(参阅Pb—Sn合金相图)；
(1)α相92％和β相8％；
(2)亚共晶合金中，要求共晶体占30％；
(3)过共晶合金中，要求共晶体占70％；
(4)共晶合金。
问分别计算出需要Pb和Sn各多少克?
复习要点
1、名词
相
固溶体
置换固溶体
间隙固溶体
金属间化合物
异分结晶/选择结晶
晶内偏析76
枝晶偏析77
区域偏析78
成分过冷
固溶强化
伪共晶组织91
离异共晶92
比重偏析92
包晶偏析
96
影响置换固溶体中溶质固溶度的主要因素
固溶体结晶过程76
固溶强化的机理
消除晶内偏析、离异共晶、包晶偏析的方法---均匀化退火
锡青铜产生锡汗的原因
锡青铜结晶温度范围宽，易产生枝晶偏析和反偏析。
当锡青铜铸件浇注后尚未全部凝固时，在枝晶骨架间还有低熔点相，青铜液温度降低时氢在铜液中溶解度降低，它析出形成小气泡，在气体压力作用和铸件收缩力的作用下含气泡的液相被挤出铸件表面皮下，造成“锡汗”。
已知A及B液态时无限互溶，固态时A在B中的最大溶解度为30%，室温时为10%，但B
在固态和室温均不容与A，300度时含40%Bde液态合金发生共晶反映，画出AB合金相图，计算含20、45、80合金结晶后在室温下的组织组成无和相的相对含量
何为匀晶转变，使划出简单的相图示意图，并结合杠杆定律分析整个过程中两项的相对含量。