第三章 二元合金相图和合金的凝固

第三章 二元合金相图和合金的凝固

一．名词解释

相图、相律、匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、包析转变、异晶转变、平衡结晶、不平衡结晶、异分结晶、平衡分配系数、晶内偏析、显微偏析、区域偏析、区域提纯、成份过冷、胞状组织、共晶组织、亚共晶组织、过共晶组织、伪共晶、离异共晶、

二．填空题

1. 相图可用于表征合金体系中合金状态与 和 之间的关系。

2. 最基本的二元合金相图有 、 、 。

3. 根据相律，对于给定的金属或合金体系，可独立改变的影响合金状态的内部因素和外部因素的数目，称为 ，对于纯金属该数值最多为 ，而对于二元合金该数值最多为 。

4. 典型的二元合金匀晶相图，如Cu-Ni二元合金相图，包含 、 两条相线， 、 、 三个相区。

5. 同纯金属结晶过程类似，固溶体合金的结晶包括 和 两个基本过程 。

6. 勻晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为________ 。

7. 共晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为___________ _。

8. 共析反应的特征为_____________，其反应式可描述为_____________。

9. 金属或合金在极缓慢冷却条件下进行的结晶过程称为 。纯金属结晶时所结晶出的固相成分与液相成分 ，称为 ；而固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分 ，称为 。

10. 固溶体合金经不平衡结晶所产生的两类成分偏析为 、 。

11. 固溶体合金产生晶内偏析的程度受到溶质原子扩散能力的影响，若结晶温度较高，溶质原子的扩散能力小，则偏析程度 。如磷在钢中的扩散能力较硅小，所以磷在钢中的晶内偏析程度较 ，而硅的偏析较 。

12. 固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，结晶树枝主轴含有较多的________组元。严重的晶内偏析降低合金的 ，为消除枝晶偏析，工业生产中广泛采用 的方法。

13. 根据区域偏析原理，人们开发了 ，除广泛用于提纯金属、金属化合物外，还应用于半导体材料及有机物的提纯。通常，熔化区的长度 ，液体的成分 ，提纯效果越好。

14. 影响二元合金固溶体晶体生长形态的主要因素有 、 、 。

15. 在某些二元系合金中，当液体凝固完毕后继续冷却时，在固态下还会发生各种形式的相变，如 、 、 。

三．选择题

1．可用于测定二元合金临界点，建立相图的方法有_____________。

A、电阻法

B、热分析法

C、金相分析法

D、X射线结构分析法

2．二元合金固溶体的晶体结构为_____________。

A、溶剂的晶型

B、溶质的晶型

C、复杂晶型

D、其它晶型

3．固溶体合金在形核时，需要_____________。

A、成份起伏

B、结构起伏

C、成份过冷

D、能量起伏

4．匀晶合金在较快冷却条件下结晶时将产生_____________。

A、枝晶偏析

B、宏观偏析

C、晶内偏析

D、区域偏析

5．共晶反应是指_____________。

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、从一个液相内析出另一个固相

6．共析反应是指_____________。

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、从一个液相内析出另一个固相

7．当二元合金进行共晶反应时，其相组成是_____________。

A、由单相组成

B、两相共存

C、三相共存

D、四相共存

8．共晶成分的二元合金在刚完成共晶反应后的组织组成物为_____________。

A、α＋L

B、β＋L

C、α＋β

D、α＋β＋L

9．共析成分的合金在共析反应刚结束时，其组成相为：

A、

B、

C、

D、+

10．一个合金的组织为，其组织组成物为：

A、α、β

B、α、β1、（α+β）

C、α、β、β1

D、α、β1、α、β

11．具有匀晶相图的单相固溶体合金_____________。

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

12．二元合金中，共晶成分的合金_____________。

A、铸造性能好

B、锻造性能好

C、焊接性能好

D、切削性能好

13．正常凝固条件下，铸锭的宏观组织由_____________组成。

A、表层细晶区

B、表层粗晶区

C、柱状晶区

D、等轴晶区

14．实际生产中，影响铸锭铸态组织的因素有_____________。

A、融化温度

B、铸模温度

C、浇注速度

D、铸锭形状

15．常见铸锭或铸件缺陷包括_____________。

A、集中缩孔

B、枝晶偏析

C、比重偏析

D、浇注冒口

四．判断题

1. 二元系合金中，杠杆定律只能测定两相区中相的成分与相对含量。（ ）

2. 二元相图既可反映二元系合金相在平衡条件下的平衡关系，又可反映组织的平衡。（ ）

3. 根据相律计算，在匀晶相图中的两相区内，其自由度为2，即温度与成分这两个变量都可以独立改变。（ ）

4. 纯金属的结晶需在恒定温度下进行，固溶体合金的结晶则需在一定的温度范围内进行。（ ）

5. 二元合金固溶体在形核时，与纯金属相同，既需要能量起伏，又需要结构起伏和成分起伏。（ ）

6. 在共晶线上利用杠杆定律可以计算出共晶体的相对量，而共晶线属于三相区，所以杠杆定律不仅适用于两相区，也适用于三相区。（ ）

7. 为保证固溶体合金的平衡结晶，只需维持固相与液相通过界面进行的溶质原子及溶剂原子的扩散。（ ）

8. 固溶体合金无论在平衡或非平衡结晶过程中，液/固界面上液相成分沿着液相平均成分线变化；固相成分沿着固相平均成分线变化。（ ）

9. 尽管固溶体合金的结晶速度很快，但在凝固的某一瞬间，A、B组元在液相与固相内的化学位均是相等的。（ ）

10. 二元合金在结晶过程中析出的初生相和次生相具有不同的晶型和组织形态。（ ）

11. 某一二元合金的室温组织为，表明该合金由三相组成。（ ）

12. 不平衡结晶条件下，靠近共晶线端点内侧的合金比外侧的合金易于形成离异共晶组织。（ ）

13. 具有包晶转变的合金，室温时的相组成物为，其中相均是包晶转变产物。

14. 固溶体合金非平衡结晶时，只要液/固界面前沿液相中溶质原子分布均匀一致，就可以减小合金中的显微偏析。（ ）

15. 固溶体合金存在枝晶偏析时，因主轴成分与枝间成分不同，最终形成的树枝晶不应是一个相。（ ）

16. 将固溶体合金棒反复多次“熔化—凝固”，并采用定向快速凝固的方法，可以有效提纯金属。（ ）

17. Cu-Ni合金不平衡结晶过程中，液/固界面推进速度越快，晶内偏析越严重。（ ）

18. 经平衡结晶获得的20％Ni的Cu—Ni合金比40％Ni的Cu—Ni合金的硬度和强度要高。（ ）

19. 厚薄不均匀的Cu—Ni合金铸件，结晶后薄处易形成树枝状组织，而厚处易形成胞状组织。（ ）

20. 从产生成分过冷的条件可知，合金中溶质浓度越高，成分过冷区域小，越易形成胞状组织。（ ）

21. 具有共晶转变的二元合金，产生伪共晶的原因是因为合金凝固时的冷却速度太慢。（ ）

22. 在二元亚共晶或共晶合金的凝固过程中可采取降低冷却速度的方法防止或减轻比重偏析。（ ）

五．简答题

1. 简述固溶体合金与纯金属平衡结晶过程的异同点。

2. 简述固溶体合金结晶形核条件。

3. 以二元合金相图为例，简述相图的分析步骤及用途。

4. 比较共晶转变与共析转变的异同点

5. 请画出共晶反应的示意图，写出反应式，并试用相律说明相图上三相共存条件。

6. 请画出包晶反应的示意图，写出反应式，并试用相律说明相图上三相共存条件。

7. 如何形成成分过冷？影响因素有哪些？成分过冷对固溶体合金生长形态有何影响？

8. 如何根据相图大致判断合金的力学性能、物理性能和铸造性能？

9. 影响枝晶偏析的因素有哪些？枝晶偏析对金属的性能有何影响？如何消除？

10. 什么是区域偏析？如何利用区域熔炼法提纯金属？

11. 举例说明如何利用包晶转变细化固溶体合金的晶粒？

12. 伪共晶如何形成？伪共晶对固溶体合金的机械性能有何影响？

13. 什么是离异共晶？离异共晶对金属性能有何影响，如何消除？

14. 实际生产中，如何控制金属铸锭的宏观组织？

15. 如何防止或减轻金属铸锭与铸件的铸造缺陷？

六. 综合论述题

1. 试述固溶体合金结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。

2. 为什么金属结晶时必须过冷？试从过冷度对金属结晶时基本过程的影响，分析细化晶粒、提高金属材料常温机械性能的措施。

3. 根据Pb-Sn合金相图（图3-1），分别画出WSn=28%的亚共晶合金和WSn=70%的Pb-Sn共晶合金的冷却曲线，同时绘出曲线上各阶段合金的组织示意图（F点成分为WSn=2% ，G点成分为WSn=99%），并求出在183℃共晶转变完毕时WSn=28%亚共晶合金组织组成物和相组成物的相对含量。

图3-1 Pb-Sn二元合金相图

4. 根据Pt-Ag相图（图3-2），画出WAg=22%和WAg=76%合金的冷却曲线，同时绘出曲线上各阶段合金的组织示意图（E点成分为WAg=2% ，F点成分为WAg=92%），并求出WAg=22%的合金冷至室温时组织中有哪几个相及相的相对含量。

图3-2 Pt-Ag二元合金相图

5. 试画出由两个包晶反应，一个共晶反应和一个包析反应组成的二元合金相图。

6. 根据下列条件，请画出概略的C-D二元相图：

(1) L (WD=30%) + D (WD=4%)

(2) L (WD=5%) + (WD=25%) (WD=10%)

(3) (WD=45%) + D (WD=70%)

(4) (WD=30%) (WD=5%) + (WD=50%)

7. 某二元合金系中，组元A的熔点为1000℃，组元B的熔点为700℃，在800℃时存在包晶反应：（5%B）+ L（50%B）（30%B）；在600℃时存在共晶反应： L（80%B）（60%B）+（95%B）； 在400℃时发生共析反应：（50%B） （2%B）+ （97%B）。试根据上述数据画出相图。

8. 已知某二元系合金的A、B组元在液态时无限互溶，在固态时可形成共晶，共晶成分为w(B)=35%。A组元在B组元中有限互溶，溶解度在共晶温度时为10％，B组元在A组元中不能溶解，且B组元比A组元的硬度高。请画出该二元合金相图的示意图，并标出各区域的相组成物和组织组成物，然后再根据相图画出合金的硬度与成分的关系曲线。

9. 在固态下互不溶解的某二元合金，从显微镜下观察得到初生组织w(A)=85%，已知共晶成分中w(A)＝24％，求该合金的成分。

10. 已知A(熔点600℃)与B(熔点500℃)在液态无限互溶，固态时A在B中的最大固溶度(质量分数)为%，室温时为％；但B在固态和室温时均不溶于A。在300℃时，含％的液态合金发生共晶反应。试绘出A—B合金相图；试计算％，％；％的合金在室温下组织组成物和相组成物的相对量。

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