18.金属铸锭的组织
工程材料课后习题答案 (2)
参考答案第1章机械工程对材料性能的要求思考题与习题P201.3、机械零件在工作条件下可能承受哪些负荷？这些负荷对零件产生什么作用？p4工程构件与机械零件（以下简称零件或构件）在工作条件下可能受到力学负荷、热负荷或环境介质的作用。
有时只受到一种负荷作用，更多的时候将受到两种或三种负荷的同时作用。
在力学负荷作用条件下，零件将产生变形，甚至出现断裂；在热负荷作用下，将产生尺寸和体积的改变，并产生热应力，同时随温度的升高，零件的承载能力下降；环境介质的作用主要表现为环境对零件表面造成的化学腐蚀，电化学腐蚀及摩擦磨损等作用。
1.4 整机性能、机械零件的性能和制造该零件所用材料的力学性能间是什么关系？p7机器的整机性能除与机器构造、加工与制造等因素有关外，主要取决于零部件的结构与性能，尤其是关键件的性能。
在合理而优质的设计与制造的基础上，机器的性能主要由其零部件的强度及其它相关性能来决定。
机械零件的强度是由结构因素、加工工艺因素、材料因素和使用因素等确定的。
在结构因素和加工工艺因素正确合理的条件下，大多数零件的体积、重量、性能和寿命主要由材料因素，即主要由材料的强度及其它力学性能所决定。
在设计机械产品时，主要是根据零件失效的方式正确选择的材料的强度等力学性能判据指标来进行定量计算，以确定产品的结构和零件的尺寸。
1.5常用机械工程材料按化学组成分为几个大类？各自的主要特征是什么？p17机械工程中使用的材料常按化学组成分为四大类：金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料。
1.7、常用哪几种硬度试验？如何选用P18？硬度试验的优点何在P11？硬度试验有以下优点：●试验设备简单，操作迅速方便；●试验时一般不破坏成品零件，因而无需加工专门的试样，试验对象可以是各类工程材料和各种尺寸的零件；●硬度作为一种综合的性能参量，与其它力学性能如强度、塑性、耐磨性之间的关系密切，由此可按硬度估算强度而免做复杂的拉伸实验（强韧性要求高时则例外）；●材料的硬度还与工艺性能之间有联系，如塑性加工性能、切削加工性能和焊接性能等，因而可作为评定材料工艺性能的参考；●硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，故可用来检验原材料和控制冷、热加工质量。
《高分子科学导论》习题
《金属学原理》习题第一章金属的晶体结构1.解释下列基本概念单晶体，多晶体，晶体结构，空间点阵，阵点，晶胞，晶向指数，晶面指数，晶向族，晶面族，晶带，晶带定理，晶面间距，面心立方，体心立方，密排立方，多晶型性，配位数，致密度，点缺陷，线缺陷，面缺陷，空位，间隙原子，肖脱基缺陷，弗兰克尔缺陷柏氏矢量，晶界，固溶体，相，组织，中间相2.标出具有下列密勒指数的晶面和晶向：a)立方晶系(421)，(-123)，(130)，[2-1-1]，[311]；b)六方晶系(2-1-11)，(1-101)，(3-2-12)，[2-1-11]，[1-213]。
3.写出FCC、BCC、HCP、（c/a=1.633）晶体的密排面、密排面间距、密排方向、密排方向最小单位长度。
4.晶界的主要特点。
5. 影响固溶体溶解度的主要因素。
第二章金属的结晶1.解释下列基本概念凝固，结晶，过冷度，结构起伏，能量起伏，均匀形核，非均匀形核，临界形核半径，临界形核功，形核率，长大速率，接触角，活性质点，变质处理，光滑界面，粗糙界面，温度梯度2．什么是晶胚？金属结晶时晶胚转变成晶核需满足哪些条件？。
3. 控制晶粒大小或细化晶粒的主要途径有哪些？4. 分析金属铸锭组织的基本构成与特点？第三章合金相结构与二元合金相图1.何为成分过冷？它对合金结晶的长大方式有哪些影响？2．简述共晶系合金的不平衡冷却组织及其形成条件。
第四章铁碳合金相图1.绘制完整的Fe-Fe3C相图，并用组成相填写各相区。
2.分析共析钢的结晶过程，并计算其室温下相组成物的相对含量。
3. 画出纯铁、40钢、T12钢的室温平衡组织，并标注其中的组织。
第五章金属的固态扩散1.解释下列基本概念自扩散，互扩散，间隙扩散，空位扩散，下坡扩散，上坡扩散，稳态扩散，非稳态扩散，扩散系数，柯肯达尔效应，体扩散，表面扩散，晶界扩散2．扩散的机制主要有哪几种？3. 影响原子扩散的因素有哪些？第六章 金属与合金的固态相变1. 解释下列基本概念固态相变，一级相变，二级相变，扩散型相变、半扩散型相变，非扩散型相变，共格界面，半共格界面，非共格界面，错配度，惯习面，调幅分解，脱溶转变，连续脱溶，不连续脱溶，马氏体型相变2．固态相变的阻力以及对相变过程的影响。
铸锭凝固组织
此时，四周温度梯度变缓，中心温度下降至结
过去的时间内，大量形核，形成细小等轴晶外
随着外壳形成收缩，形成气隙，传热变慢，枝
4.1铸锭/坯的凝固组织
•正常偏析
•按照异分结晶一般规律进行凝固，由此产生的偏析即为正常偏析
•分四种情况：
•平衡态凝固
•液态均匀，固态不发生扩散
•液态不均匀，固态也不扩散
•液态和固态均有一定程度但不达到平衡的扩散
4.1铸锭/坯的凝固组织
•原因：
•在出现树枝晶的条件下，枝晶尖端部分孤立深入正面液体中，正面的界面很小，而枝晶之间残留大量液
体，所以枝晶要依靠与枝晶主轴垂直的方向扩散而扩
展凝固界面。
相比之下，纵向的扩散较小，。
金属学与热处理复习题带答案
一、名词解释（每小题2分，共14分）1. 结构起伏：短程有序的原子集团就是这样处于瞬间出现，瞬间消失，此起彼伏，变化不定的状态之中仿佛在液态金属中不断涌现出一些极微小的固态结构一样，这种不断变化着的短程有序的原子集团称为结构起伏。
2. 非自发形核：在液态金属中总是存在一些微小的固相杂质质点，并且液态金属在凝固时还要和型壁相接触，于是晶核就可以优先依附于这些现成的固体表面上形成，这种形核方式就是非自发形核。
3. 相：相是指合金中结构相同、成份和性能均一并以界面相互分开的组成部分。
4. 柯氏气团：金属内部存在的大量位错线，在刃型位错线附近偏聚的溶质原子好像形成一个溶质原子“气团”，成为“柯氏气团”5. 选择结晶：固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相的成分不同，这种结晶出的晶体与母相的化学成分不同的结晶称为选择结晶。
6. 形变强化：在塑形变形过程中，随着金属内部组织的变化，金属的力学性能也将产生明显的变化，随着变形过程的增加，金属的强度、硬度增加，而塑形、韧性下降，这一现象称为形变强化。
7. 晶胞：晶格中能够完全反应晶格特征的最小几何单元。
二、选择题1.下列元素中能够扩大奥氏体相区的是（ d ）。
A WB MoC CrD Ni2.属于强碳化物形成元素的是（ c ）。
A W，Mo, CrB Mn, Fe, NiC Zr, Ti, NbD Si, Be, Co3.不能提高钢的淬透性的合金元素是（ a ）。
A CoB CrC MoD Mn4.调质钢中通常加入（ c ）元素来抑制第二类回火脆性。
A CrB NiC MoD V5. 下列钢种属于高合金钢的是（ d ）A 40CrB 20CrMnTiC GCr15D W18Cr4V6. 选出全是促进石墨化的元素的一组（ b ）A V、Cr、SB Al、Ni、SiC W、Mn、PD Mg、B、Cu7. 选出适合制作热作模具的材质（ d ）A 20CrMnTiB Cr12C 2Cr13D 5CrNiMo三、填空1. 铸锭组织的三个典型区域是（表层细晶粒区）、（内部柱状晶区）和（中心等轴晶区）。
铸锭晶粒组织及其细化
16
6.1.3 中心等轴晶区的形成
•
需要指出的是，凝固初期在模壁附近形成的晶体，由于其 比重大于或小于液体比重，也会产生对流(图6－6)，晶体 被卷入铸锭中心，然后长大成等轴晶。
17
枝晶的熔断及游离
上图所示，枝晶长大 时，在其周围会形成溶 质偏枝晶一旦穿过该 偏析层，就会迅速生长 变粗，在偏析层内留下 缩颈。这种带缩颈的枝 晶，在对流作用下易被 熔断，其碎块游离至铸 锭中心，在温度较低的 情况下，长成为中心等 轴晶。
o 定向凝固，关键是保证单向导热，保持较大的温度梯度和较小的 凝固速度。
12
金属液内对流的影响：
• 柱状晶的加工性能较差，因此用于加工变形的铸锭，应减少柱状 晶。
13
6.1.3 中心等轴晶区的形成
• (1) 等轴晶晶核的来源 均质生核形成中心等轴晶区：中心等轴晶区是在柱状晶区包 围的残余液体中，同时过冷生核而形成的。从热力学观点看， 均质生核需要较大的过冷度，这在一般铸锭条件下是难以满 足的。因此，均质生接形成中心等驯品区的观点早已被否定。 成分过冷引起中心非均质生核：当出现成分过冷时， 由于固 /液界面处过冷度最小，柱状晶生长被抑制，而界面前沿过冷 度较大的地方，利于非均质生核而形成等轴晶区。
3
6.1.1 表面细等轴晶区的形成
o 传统的理论认为，当过热金属浇入锭模时，与模壁接触的一层液 体受到强烈激冷，产生极大过冷，并由于模壁的形核作用，因而 在模壁附近的过冷液体中大量生核，并同时生长成柱状细等轴晶。 o 液体金属的对流对表面细等轴晶区的形成有决定性的影响。 o 浇注时流柱引起的动量对流，液体内外温差引起的热对流，以及 由对流引起的温度起伏，均可促使模壁上形成的晶核粒脱落和游 离，增加凝固区内的晶核数目，因而形成了表面细等轴晶区。但 是，如果无对流，即使有强烈的激冷， 也不一定形成细等轴晶 区。
机械制造工艺基础复习思考题
复习思考题（第一章）1、什么叫应力？什么叫应变？低碳钢拉伸应力-应变曲线可分为哪几个变形阶段？这些阶段各具有什么明显特征？材料受到外力作用时，其内部也产生抵抗力，单位横截面上的抵抗力就称为应力。
应变：在应力作用下，单位长度上的伸长量称为应变。
应力-应变曲线可以分为以下五个阶段：（1）弹性阶段。
在此阶段应力与应变成线性关系，应变随应力的增加而增大，当外力取消后，试样恢复原状。
（2）屈服阶段。
在外力作用下，试样除发生弹性变形以外，还发生部分塑性变形。
外力消除后，弹性变形消失，塑性变形保留。
（3）颈缩阶段。
试样在外力的作用下，试样发生局部变细的“缩颈”现象，变形集中在缩颈部位。
（4）断裂。
当外力达到一定值时，试样在“颈缩”处发生断裂。
2、由拉伸试验可以得到哪些力学性能指标？在工程上这些指标是怎样定义的？在拉伸试验可测得力与变形的变化，因此可以测出材料的强度指标和塑性指标。
强度指标包括：弹性极限、屈服强度、抗拉强度；弹性极限：试样不产生永久变形的最大应力。
以σe表示；屈服强度：试样产生屈服时的应力。
以σs表示；抗拉强度：断裂前的最大应力。
以σb表示；塑性指标包括：伸长率和端面收缩率伸长率：试样拉断后的标距长度与原始标距长度之差与原始标距长度的比值比。
以δ表示；断面收缩率：试样拉断后的断口处的横截面积与原始横截面积之差与原始横截面积的百分比。
以ψ表示；3、（略）4、设计刚度好的零件，应根据何种指标选择材料？材料的弹性模量E愈大，则材料的塑性愈差。
这种说法是否正确？为什么？刚度是表征材料抵抗弹性变形能力的力学指标，反映了材料抵抗弹性变形能力的大小。
刚度的物理意义是指金属材料产生单位弹性的相对变形所需的应力，即材料力学中的弹性模量。
因此设计刚度好的零件应根据材料的弹性模量来选择。
说法错误。
弹性模量是表征材料抵抗弹性变形的量，而塑性是在外力的作用下产生塑性变形而不断裂的能力。
二者表达的意思不同，两者之间的联系不紧密，因此不能简单地这样说。
铸锭组织观察实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解铸锭制备的基本过程及影响因素。
2. 通过显微镜观察不同铸锭组织的形态、分布和结构。
3. 分析铸锭组织对材料性能的影响。
二、实验材料及设备1. 实验材料：不同成分的铝合金铸锭（纯铝、铝硅合金、铝铜合金等）。
2. 实验设备：金相显微镜、切割机、抛光机、腐蚀液、显微镜拍照设备等。
三、实验方法及步骤1. 样品制备：将不同成分的铝合金铸锭切割成一定尺寸的样品，经过粗磨、细磨、抛光等步骤，制备成适合显微镜观察的金相样品。
2. 组织观察：将制备好的金相样品进行腐蚀处理，使其组织特征更加明显。
然后，使用金相显微镜观察样品的组织形态、分布和结构，并拍照记录。
3. 组织分析：根据显微镜观察结果，分析不同铸锭组织的形态、分布和结构，以及组织对材料性能的影响。
四、实验结果与分析1. 纯铝铸锭组织观察与分析：- 组织形态：纯铝铸锭的组织主要由α-Al相组成，呈等轴晶或柱状晶分布。
- 组织结构：α-Al相呈细小的等轴晶或柱状晶，晶粒大小均匀，晶界清晰。
- 性能影响：纯铝铸锭的组织结构对其性能影响不大，主要取决于合金成分和热处理工艺。
2. 铝硅合金铸锭组织观察与分析：- 组织形态：铝硅合金铸锭的组织主要由α-Al相、Si相和SiAl3相组成，Si相呈针状或块状分布。
- 组织结构：α-Al相呈细小的等轴晶或柱状晶，Si相和SiAl3相呈针状或块状分布，晶界清晰。
- 性能影响：铝硅合金铸锭的组织结构对其性能有较大影响，Si相和SiAl3相的分布和形态会影响材料的力学性能、耐腐蚀性能等。
3. 铝铜合金铸锭组织观察与分析：- 组织形态：铝铜合金铸锭的组织主要由α-Al相、Cu相和CuAl2相组成，Cu 相呈块状或针状分布。
- 组织结构：α-Al相呈细小的等轴晶或柱状晶，Cu相和CuAl2相呈块状或针状分布，晶界清晰。
- 性能影响：铝铜合金铸锭的组织结构对其性能有较大影响，Cu相和CuAl2相的分布和形态会影响材料的力学性能、耐腐蚀性能等。
材料科学基础-张代东-习题答案
第1章 习题解答1-1 解释下列基本概念金属键，离子键，共价键，范德华力，氢键，晶体，非晶体，理想晶体，单晶体，多晶体，晶体结构，空间点阵，阵点，晶胞，7个晶系，14种布拉菲点阵，晶向指数，晶面指数，晶向族，晶面族，晶带，晶带轴，晶带定理，晶面间距，面心立方，体心立方，密排立方，多晶型性，同素异构体，点阵常数，晶胞原子数，配位数，致密度，四面体间隙，八面体间隙，点缺陷，线缺陷，面缺陷，空位，间隙原子，肖脱基缺陷，弗兰克尔缺陷，点缺陷的平衡浓度，热缺陷，过饱和点缺陷，刃型位错，螺型位错，混合位错，柏氏回路，柏氏矢量，位错的应力场，位错的应变能，位错密度，晶界，亚晶界，小角度晶界，大角度晶界，对称倾斜晶界，不对称倾斜晶界，扭转晶界，晶界能，孪晶界，相界，共格相界，半共格相界，错配度，非共格相界（略）1-2 原子间的结合键共有几种？各自特点如何？ 答：原子间的键合方式及其特点见下表。
类 型 特 点离子键 以离子为结合单位，无方向性和饱和性 共价键 共用电子对，有方向性键和饱和性 金属键 电子的共有化，无方向性键和饱和性分子键 借助瞬时电偶极矩的感应作用，无方向性和饱和性 氢 键依靠氢桥有方向性和饱和性1-3 问什么四方晶系中只有简单四方和体心四方两种点阵类型？答：如下图所示，底心四方点阵可取成更简单的简单四方点阵，面心四方点阵可取成更简单的体心四方点阵，故四方晶系中只有简单四方和体心四方两种点阵类型。
1-4 试证明在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直。
证明：根据晶面指数的确定规则并参照下图，（hkl ）晶面ABC 在a 、b 、c 坐标轴上的截距分别为h a 、k b 、l c ，k h b a AB +-=，l h c a AC +-=，lk ca BC +-=；根据晶向指数的确定规则，[hkl ]晶向cb a L l k h ++=。
利用立方晶系中a=b=c ，ο90=γ=β=α的特点，有0))((=+-++=⋅kh l k h ba cb a AB L 0))((=+-++=⋅lh l k h ca cb a AC L 由于L 与ABC 面上相交的两条直线垂直，所以L 垂直于ABC 面，从而在立方晶系具有相同指数的晶向和晶面相互垂直。
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第六节金属铸锭的工宏观组织与缺陷
金属的铸态组织包括：
铸态组织包括晶粒的大小、形状和取向，合金元素和杂质的分布以及铸锭中的缺陷如缩
孔、气孔等等。
因此应该了解铸锭或铸件的组织及其形成规律,并设法改善铸锭或铸件的组织
对铸件来说，铸态组织直接影响到它的机械性能和使用寿命；对铸锭来说，铸态组织不
但影响到它的压力加工性能，而且还影响到压力加工后的金属制品的组织及性能。
一，
铸锭三晶区的形成
纯金属铸锭的宏观组织通常由三个晶区所组成
即外表层的细品区，中间的柱状晶区和心部的等轴晶区，如图2-33所示。
根据浇注条件的不同铸锭中晶区的数目及其相对厚度可以改变
一
表层细晶区
表层细晶区或激冷层的形成：
当高温的金属液体倒入铸型后，结晶首先从型壁处开始。这是由于温度较低的模壁有强
烈地吸热和散热作用，使靠近型壁的一薄层液体产生极大地过冷，加上模壁可以作为非
均匀形核的基底，因此在此一薄层液体中立即产生大量的晶核，并同时向各个方向生长。
由于晶核数目很多，故邻近的晶粒很快彼此相遇，不能继续生长，这样便在靠近模壁处
形成一很细的薄层等轴晶粒区。又称为激冷区
表层细晶区的形核率和厚度决定于下列因素：
1. 模壁的形核能力以及模壁处所能达到的过冷度大小，后者主要依赖于铸型的表面温
度、铸型的热传导能力和浇注温度等因素。
2. 如果铸型的表面温度低，热传导能力好，以及浇注温度较低的话，便可以获得较大
的过冷度，从而使形核率增加，细晶区的厚度即可増大。
3. 相反，如果浇注温度髙，铸锭模的散热能力小而使其温度很快升高的活，就可大大
降低晶核数目，细品区的厚度也要减小。
表层细晶区性能厚度及其他：
1. 细晶区的晶粒十分细小，组织致密，力学性能很好。
2. 但由于细晶区的厚度一般都很薄，有的只有几个毫米厚，因此没有多大的实际意义。
二
柱状晶区：
柱状晶区由垂直于模壁的粗大的柱状晶所构成
上述种种原因均使液态金属冷却减慢温度梯度变得平缓：
在表层细晶区形成的同时，一方面模壁的温度由于被液态金属加热而迅速升高，另一方
面由于金属凝固后的收缩，使细晶区和型壁脱离，形成一空气层，给液态金属的继续散
热造成困难。此外，细品区的形成还释放出了大量的结晶潜热，也使型壁的温度升离，
上述种种原因均使液态金属冷却减慢，温度梯度变得平缓，这时开始形成柱状晶区。
这时开始形成柱状晶区这是因为：
尽管在结晶前沿液体中有适当的过冷度,这一过冷度很小，使之不能生成新的晶核，
但它有利于细晶区靠近液相的某些小晶粒的继续长大，而离柱状品前沿稍远处的液
态金属尚处于过热之中，无法另行生核， 因此结晶主要靠晶粒的继续长大来进行。
垂直于型壁方向散热最快，因而晶体沿其相反方向择优生长成柱状晶。晶体的长大
速度是各向异性的，一次轴方向长大速度最大,但是由于散热条件的影响，因此只有
那些一次晶轴垂直于型壁的晶粒长大速度最快， 迅速地优先长入液体中，如图2-35
所示。
由于这些优先成长的晶粒并排向液体中生长，侧面受到彼此的限制而不能侧向生
长，只能沿散热方向生长，结果便形成了柱状晶区。
铸造织构或结晶织构：
各柱状晶的位向都是一次晶轴方向，例如立方晶系各个柱状晶的一次晶轴都是001方
向,结果柱状晶区在性能上就显示出了各向异性，这种晶体学位向一致的铸态组织称为
铸造织构或结晶织构
柱状晶区形成的内因和外因：
由此可见，柱状品区形成的外因是散热的方向性，内因是晶体生长的各向异性。
柱状晶的长大速度：
柱状品的长大速度与已凝固固相的浓度梯度和液相的温度梯度有关。固相的温度梯度越
大，或液相的温度梯度越小时，则柱状晶的长大速度便越大。
穿晶组织以及穿晶组织的4个形成条件：
1. 如果已结晶的固相的导热性好
2. 散热速度很快
3. 始终能保待定向散热
4. 并且在柱状晶前沿的液体中没有新形成的晶粒阻挡
5. 那么柱状晶就可以一直长大到铸锭中心，直到与其它柱状晶相遇而止，这种铸锭组
织称为穿晶组织,如图2.36所示
柱状晶区组织性能特点：
1. 组织致密：在柱状晶区中，晶粒彼此间的界面比较平直，气泡缩孔很小，所以组织
比较致密。
2. 柱间晶界或弱面：
a) 但当沿不同方向生长的两组柱状晶相遇吋，会形成柱晶间界。
b) 柱晶间界是杂质、气泡、缩孔比较富集的地区，因而是铸锭的脆弱结合面，简
称弱面。
c) 例如在方形铸锭中的对角线处就很容易形成弱面，当压力加工时，易于沿着这
些弱面形成裂纹或开裂。
3. 此外，柱状晶区的性能有方向性
a) 对塑性好的金属与合金，即使全部为柱状晶组织，也能顺利通过热轧而不致开
裂。
b) 而对塑性差的金属或合金，如钢铁和镍合金等，则应力求避免形成发达的柱状
晶区，否则往往导致热轧开裂而产生废品
三
中心等轴晶区
中心等轴晶区的形成：
随存柱状晶的发展，经过散热，铸锭中心部分的液态金厲全部降至熔点以下，再加
上液态金属中杂质等因素的作用，满足了形核对过冷度的要求，于是在整个剩余液
体中同时形核。
由于此时的散热已经失去了方向性，晶核在液体中可以自由生长，在各个方向上的
长大速度差不多相等，因此即长成了等轴晶。
当它们长到与柱状品相遇，全部液体凝固完毕后，即形成明显的中心等轴晶区
与柱状晶区相比
1. 等轴晶区的各个晶粒在长大时彼此交叉，枝杈间的搭接牢固，裂纹不易扩展
2. 不存在明显的弱面；
3. 各晶粒的取向各不相同，其性能也没有方向性。
4. 这是等轴晶区的优点。
5. 但其缺点是等轴晶的树枝状晶体比较发达，分枝较多，因此显微缩孔较多，组织不
够致密。但显微缩孔一般均未氧化，因此铸锭经过热压力加工之后，一般均可焊合，
对性能影响不大。
由此可见一般的铸锭尤其是铸件都要求得到发达的等轴晶组织