第四章 材料的成形凝固与二元合金相图
习题参考答案
一、解释下列名词
答：1、凝固：物质由液态转变为固态的过程。
2、过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。
3、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。 4、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。
5、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，细化晶粒的处理方法。
6、变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。
7、同素异构转变：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。
8、合金：通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质。
9、组元：组成合金的最基本的、独立的物质。
10相：在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。 11、相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图。
12、枝晶偏析：实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分，使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，后结晶含低熔点组元较多，这种在晶粒内化学成分不均匀的现象。
13、比重偏析：比重偏析是由组成相与溶液之间的密度差别所引起的。如果先共晶相与溶液之间的密度差别较大，则在缓慢冷却条件下凝固时，先共晶相便会在液体中上浮或下沉，从而导致结晶后铸件上下部分的化学成分不一致的现象。 二、填空题
1、实际结晶温度比理论结晶温度略低一些的现象称为金属结晶的过冷现象，实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。
2、金属结晶过程是晶核形成与晶核长大的过程，这是结晶的基本规律。
3、金属结晶时的冷却速度越快，则过冷度越大，结晶后的晶粒越细，其强度越高，塑性和韧性越好。
4、典型的金属铸锭组织由三层组成，即表层细晶区、柱状晶区 、中心粗等轴晶区。 5、在金属铸锭中，除组织不均匀外，还经常存在缩孔、气孔、疏松等各种铸造缺陷。 6、其它条件相同时，在下列铸造条件下，就铸件晶粒大小来说：
(1) 金属模浇注的比砂模浇注的铸件晶粒细； (2) 铸成薄件的比铸成厚件的铸件晶粒细；
(3) 浇注时采用震动的比不采用震动的铸件晶粒细。
三、简答题
1、过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？ 答：⑴冷却速度越大，则过冷度也越大。
⑵随着冷却速度的增大，则晶体内形核率和长大速度都加快，加速结晶过程的进行，但当冷速达到一定值以后则结晶过程将减慢，因为这时原子的扩散能力减弱。
⑶过冷度增大，ΔE大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N与G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困难。
2、金属结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长率受到哪些因素的影响？ 答：⑴金属结晶的基本规律是形核和核长大。
⑵受到过冷度的影响，随着过冷度的增大，晶核的形成率和成长率都增大，但形成率的增长比成长率的增长快；同时外来难熔杂质以及振动和搅拌的方法也会增大形核率。
3、在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒大小？在生产中如何应用变质处理？ 答：采用的方法：
⑴提高冷却速度：增大过冷度可使晶粒细化。冷却速度越大，过冷度越大。所以，控制金属结晶时的冷却速度就可以控制过冷度，从而控制晶粒的大小。
⑵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。
⑶机械振动、搅拌：在金属液结晶过程中，也可以采用机械振动、超声波振动、电磁振动等措施，使正在长大的晶粒破碎，从而细化晶粒。
4、何谓共晶反应、包晶反应和共析反应?试比较这三种反应的异同点。
答：共晶反应：指一定成分的液体合金，在一定温度下，同时结晶出成分和晶格均不相同的两种晶体的反应。
包晶反应：指一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另外一种固相的反应过程。 共析反应：由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具有一定晶体结构的固相的反应。
共同点：反应都是在恒温下发生，反应物和产物都是具有特定成分的相，都处于三相平衡状态。 不同点：共晶反应是一种液相在恒温下生成两种固相的反应；共析反应是一种固相在恒温下生成两种固相的反应；而包晶反应是一种液相与一种固相在恒温下生成另一种固相的反应。
5、二元合金相图表达了合金的哪些关系？
答：二元合金相图表达了合金的状态与温度和成分之间的关系。
6、在二元合金相图中应用杠杆定律可以计算什么？
答：应用杠杆定律可以计算合金相互平衡两相的成分和相对含量。 7、已知A（熔点 600℃）与B(500℃) 在液态无限互溶；在固态300℃时A溶于B的最大溶解度为30%，室温时为10%，但B不溶A；在 300℃时，含40%B的液态合金发生共晶反应。现要求：
⑴作出A-B 合金相图；
⑵分析20% A，45%A，80%A 等合金的结晶过程，并确定室温下的组织组成物和相组成物的相对量。
答：⑴如右图所示 ⑵ 20%A合金如图①：
合金在1点以上全部为液相，当冷至1点时，开始从液相中析出α固溶体，至2点结束，2～3
点之间合金全部由α固溶体所组成，但当合金冷到3点以下，由于固溶体α的浓度超过了它的溶解度限度，于是从固溶体α中析出二次相A，因此最终显微组织：α+AⅡ 相组成物: α+A
A=（90-80/90）*100%=11% α=1-A%=89%
45%A合金如图②：
合金在1点以上全部为液相，冷至1点时开始从液相中析出α固溶体，此时液相线成分沿线BE变化，固相线成分沿BD线变化，当冷至2点时，液相线成分到达E点，发生共晶反应，形成（A+α）共晶体，合金自2点冷至室温过程中，自中析出二次相AⅡ，因而合金②室温组织：AⅡ+α+(A+α) 相组成物:A+α
组织：AⅡ=（70-55）/70*100%=21% α=1- AⅡ=79%
A+α=（70-55）/(70-40）*100%=50%
相：A=（90-55）/90*100%=50% α=1-A%=50% 80%A合金如图③：
合金在1点以上全部为液相，冷至1点时开始从液相中析出A，此时液相线成分沿AE线变化，冷至2点时，液相线成分到达点，发生共晶反应，形成(A+α)共晶体，因而合金③的室温组织：A+ (A+α)
相组成物：A+α
组织：A=（40-20）/40*100%=50% A+α=1-A%=50% 相： A=（90-20）/90*100%=78% α=1-A%=22% 8．某合金相图如图所示。
⑴试标注①—④空白区域中存在相的名称； ⑵指出此相图包括哪几种转变类型；
⑶说明合金Ⅰ的平衡结晶过程及室温下的显微组织。 答：⑴ ①：L+γ ②: γ+β ③: β+(α+β) ④: β+α⑵ 匀晶转变；共析转变
⑶ 合金①在1点以上全部为液相,冷至1点时开始从液相中析出γ固溶体至2点结束,2～3点之间合金全部由γ固溶体所组成,3点以下,开始从γ固溶体中析出α固溶体,冷至4点时合金全部由α固溶体所组成,4～5之间全部由α固溶体所组成,冷到5点以下,由于α固溶体的浓度超过了它的溶解度限度,从α中析出第二相β固溶体,最终得到室稳下的显微组织: α+βⅡ
9、有形状、尺寸相同的两个 Cu-Ni 合金铸件，一个含 90% Ni ，另一个含 50% Ni,铸后自然冷却，问哪个铸件的偏析较严重？
答：含 50% Ni的Cu-Ni 合金铸件偏析较严重。在实际冷却过程中，由于冷速较快，使得先结晶部分含高熔点组元多，后结晶部分含低熔点组元多，因为含 50% Ni的Cu-Ni 合金铸件固相线与液相线范围比含 90% Ni铸件宽，因此它所造成的化学成分不均匀现象要比含 90% Ni的Cu-Ni 合金铸件严重。 四、选择题
1、在具有一定过冷度的金属液体结晶时，液体与固相晶体的自由能差(△E=E 固 - E 液) ( C )。 A、>0； B、= 0； C、< 0
2、纯金属结晶时冷却曲线上的水平台阶，表示( A )。
A、结晶时放出结晶潜热； B、由外界补偿一定热量使其结晶； C、结晶时的孕育期
3、金属结晶后晶粒大小取决于结晶时的形核率N和核长大速度G，要细化晶粒必须( B )。 A、增大N和G； B、增大N、降低G； C、降低N、增大G
Ⅱ
4、较大型铸件一般是通过( C )来细化晶粒的。
A、增大过冷度； B、降低冷却速度； C、变质处理
5、纯金属材料凝固后的晶粒大小主要取决于( A )
A、过冷度的大小； B、温度梯度的正负； C、晶体长大方式 五、判断题
( × )1、物质从液态到固态的转变过程称为“结晶”。
( × )2、液态金属冷却速度越快，其实际结晶温度越接近理论结晶温度。 ( √ )3、结晶时非均匀形核总比均匀形核容易。
( √ )4、在铁水中加入硅铁颗粒，使铸铁晶粒细化，这种方法称为变质处理。 ( √ )5、液态金属结晶时，过冷度越大，晶体越呈树枝状长大，且分枝越细密。 ( × )６、一个合金的室温组织为α+βⅡ+(α+βⅡ)，那么它是由三相组成的。