1、材料科学基础习题 叶荷 11 及材料班 2013-1-10第三章 二元合金相图和合金的凝固一、名词：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。平衡结晶：合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。成分起伏：液相中成分、大小和位置不断变化着的微小体积。异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象。共晶转变：在一定温度下，由定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程。脱溶：由固溶体中析出另一个固相的过程，也称之为二次结晶。包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用
2、，形成另一个一定成分的固相的转变过程。成分过冷：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。二、简答：1. 固溶体合金结晶特点？答：异分结晶；需要一定的温度范围。2. 晶内偏析程度与哪些因素有关？答：溶质平衡分配系数 k0；溶质原子扩散能力；冷却速度。3. 影响成分过冷的因素？答：合金成分；液相内温度梯度；凝固速度。4. 相图分折有哪几步？答：以稳定化合物为独立组元分割相图并分析；熟悉相区及相；确定三相平衡转变性质。 三、绘图题绘图表示铸锭宏观组织三晶区。四、书后习题 1、何谓相图？有何用途？答：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。相图的作用：由相图可以知道各种成分的合金在不同
3、温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。2、什么是异分结晶？什么是分配系数？答：异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比值。3、何谓晶内偏析？是如何形成的？影响因素有哪些？对金属性能有何影响，如何消除？答：晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象形成过程：固溶体合金平衡结晶使前后从液相中结晶出的固相成分不同，实际生产中，液态合金冷却速度较大，在一定温度下扩散过程尚未进行完全时温度就继续下降，使每个晶粒内部的化学成分布均匀，先结晶的含高熔点组元较多，后结晶的含低熔点组元较多，在晶粒内部存在着浓度差。影响因素：1）分配系数 k0：当
4、k01 时，k0 值越小，则偏析越大；当 k01 时，k0 越大，偏析也越大。 2）溶质原子扩散能力，溶质原子扩散能力大，则偏析程度较小；反之，则偏析程度较大。3）冷却速度，冷却速度越大，晶内偏析程度越严重。对金属性能的影响：使合金的机械性能下降，特别是使塑性和韧性显著降低，甚至使合金不容易压力加工。也使合金的抗蚀性能降低。消除办法：扩散退火或均勺化退火6、何谓共晶反应和包晶反应？写出反应式。答：共晶反应：在一定温度下，由定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程。 NMtEL 包晶反应：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程。 DtPC
5、L 8、什么是成分过冷？答：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。9、试述纯金属与固溶体合金结晶过程中形核、长大的条件及方式有何异同？答：纯金属结晶过程中的形核、长大的条件：要满足结构起伏、能量起伏。固溶体合金结晶过程中的形核、长大的条件：要满足结构起伏、能量起伏和成分起伏。固溶体合金结晶是在一定的温度范围的异分结晶，纯金属结晶是在一定温度下的同分结晶。 10、何谓相组成物和组织组成物？画出冷却曲线分析 w(Sn)=70%Pb-Sn 合金的平衡结晶过程，并计算室温下该合金相组成物和组织组成物的相对含量。答：相组成物：组成合金的各相组织组成物：在显微组织中能清楚地区分开，是组成显微组织的独立部
6、分。冷却曲线：平衡结晶过程：当合金 I 缓慢冷却到 1 点时，开始从液相中结晶出 固溶体。在 12 点温度范围内，随着温度的降低， 固溶体的数量不断增多，而液相的数量不断减少，它们的成分分别沿固相线 BN 和液相线 BE 发生变化。2 点时， 相和剩余液相的成分分别到达 N 点和 E 点。在温度 tE、成分为 E 点的液相便发生共晶转变 。在 2 点以下继续冷却时，将从 相( 包括NMtEL 先共晶 相和共晶组织中的 相)和 (共晶组织中的) 分别析出次生相 II 和 II。室温下该合金相组成物的相对含量： 3107%30.62GWF9.4组织组成物的相对含量：+ II+共晶组织（+ ）2N9
7、7.501%7.2E6W共 晶 （ ） F0.G2 701.97.51.6N56213、何谓共析转变？与共晶转变比较有何异同？答：共析转变：一定成分的固相在一定温度下分解为另外两个一定成分的固相的转变过程。相同点：都是由一个相分解为两个相的三相恒温转变，三相成分点在相图上的分布是一样的。不同点：共析反应的反应相是固相，而共晶反应的反应相是液相。共析组织比共晶组织致密。第 3 章 二元合金相图和合金的凝固复习题纲重点：二元相图的结晶过程（冷却曲线、组织变化示意图） ；填写相组成物、组织组成物；杠杆定律的计算；铸锭的三个晶区。一、选择题1.二元合金在进行共晶反应时为_c_相平衡共存。a 单 b 双
8、 c 三 d 多2.铸造性能最佳的合金应该是_c_成分的合金。a 固溶体 b 亚共晶 c 共晶 d 过共晶3.在金属或合金中凡是具有_b_并与其他部分有界面分开的，均匀的组成部分，均称之为相。a 相同成分，不同晶体结构 b 相同成分，相同晶体结构c 不同成分，相同晶体结构 4.相图是表示合金系中合金在_b_条件下各相的存在状态与温度，成分间的关系的图解。a 常压 b 平衡 c 较慢冷却 d 较慢加热5.在实际冷却速度_b_的条件下，以树枝晶方式结晶的固溶体中，先后结晶的树枝状晶体内化学成分不均匀的现象，称为枝晶偏析。 a 较慢 b 较快 c 适中 d 极为缓慢6.在_b_下，由一定成分的液相，
9、同时结晶出成分一定且不相同的两个固相的较变，称为共晶转变(或共晶反应) a 连续降温条件 b 一定温度c 一定冷却速度 d 温度变化不大条件7.在一定温度下，由成分一定的_c_同时析出两种成分一定且不相同的_e_的转变，称为共析转变(或共析反应) a 气相 b 液相 c 固相 d 新液相 e 新固相8.在二元合金相图中，对某已知成分合金应用杠杆定律时，首先必须明确是在_b_应用? 然后必须进一步明确是在该区的_d_求解? 接着要确定做为分母线及分子线段的杠杆长度。a 哪个单相区中 b 哪个两相区中 c 哪种成分下 d 哪个温度下 e 什么压力下9.产生枝晶偏析的原因是由于_d_。a 液固相线间
10、距很小，冷却缓慢 b 液固相线间距很小，冷却速度大 c 液固相线间距大，冷却缓慢 d 液固相线间距大，冷却速度也大二、判断题(1)共晶转变和共析转变都是从单相中产生双相的转变，而且又是在恒温下进行，处于平衡状态的三相的成分都是固定不变的。( )(2)在二元合金系中，只有共晶成分的合金在结晶时才能发生共晶转变，其它任何成分的合金在结晶时都不可能发生共晶转变。()(3)在二元合金系中，只有共析成分的合金在结晶时才能发生共析转变，其它任何成分的合金在结晶时都不可能发生共析转变。()(4)二元合金结晶过程中共晶转变和共析转变的反应式和转变产物都是相同的。( ) (5)在二元合金相图中，液相线与固相线之
11、间的垂直距离(温度间隔)及其水平距离(成分间隔 )比较大的合金，铸造时流动性比较好，偏析倾向及产生热裂纹的倾向均比较小。( ) (6)在二元合金相图中，在三相平衡的水平线上，当转变正在进行时不能应用杠杆定律。但在转变尚未开始之前或转变刚刚完成后，在水平线上可以应用杠杆定律。( ) (7)在二元合金相图中，固态下只要 相、 相有溶解度变化，那么整个+ 两相区内各成分合金，室温下的平衡组织中均同时存在次生相，和。( ) 三.在图430所示相图中，请指(1) 水平线上反应的性质； (2) 各区域的组织组成物； (3) 分析合金 I，II 的冷却过程；() 室温下合金 I，II 的组织组成物的相对量表
12、达式；7. (1) 高温区水平线为包晶线，包晶反应：L j+k n中温区水平线为共晶线，共晶反应：L d g+h (2) 各区域组织组成物如图 430 中所示。(3) I 合金的冷却曲线和结晶过程如附图 2.9 所示。12，均匀的液相 L。 23 匀晶转变，L 不断结晶出 相。 33，发生包品反应 L+。 34，剩余液相继续结晶为 。 4，凝固完成，全部为 。 45，为单一 相，无变化。 56，发生脱溶转变 II。室温下的组织为 +II。II合金的冷却曲线和结晶过程如附图2.10所示。12，均匀的液相L。23，结晶出 初 ，随温度下降 相不断析出，液相不断减少。33，剩余液相发生共晶转变L+。
13、 34， II， II，室温下的组织为。 初 +（+） 共 +II(4)室温时，合金 I、II 组织组成物的相对量可由杠杆定律求得。合金 I：第一章 原子排列与晶体结构1. fcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,晶胞中原子数为 ，把原子视为刚性球时，原子的半径 r 与点阵常数 a 的关系是 ；bcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ，原子的半径 r 与点阵常数 a 的关系是 ；hcp 结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,，晶胞中原子数为 ，原子的半径 r 与点阵常数
14、 a 的关系是 。2. Al 的点阵常数为 0.4049nm，其结构原子体积是 ，每个晶胞中八面体间隙数为 ，四面体间隙数为 。3. 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 。4. 在面心立方晶胞中画出 ）（ 21晶面和 1晶向，指出110中位于（111）平面上的方向。在 hcp晶胞的（0001）面上标出 ）（ 0晶面和 02晶向。5. 求 1和 20两晶向所决定的晶面。6 在铅的（100）平面上，1mm 2 有多少原子？已知铅为 fcc 面心立方结构，其原子半径 R=0.17510-6mm。第二章 合金相结构一、 填空1
15、） 随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度 ，塑性 ，导电性 ，形成间隙固溶体时，固溶体的点阵常数 。2） 影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是（1） ；（2） ；（3） ；（4） 和环境因素。3） 置换式固溶体的不均匀性主要表现为 和 。4） 按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分，固溶体可分为 和 。5） 无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是强度和硬度 ，塑性 ，导电性 。6）间隙固溶体是 ，间隙化合物是 。二、问答1、 分析氢，氮，碳，硼在 -Fe 和 -Fe 中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固溶度大小。已知元素的原子半径如下：氢：0.046nm ，氮：0.071n
16、m ，碳： 0.077nm，硼：0.091nm，-Fe：0.124nm， -Fe ：0.126nm。2、简述形成有序固溶体的必要条件。第三章 纯金属的凝固1. 填空1. 在液态纯金属中进行均质形核时，需要 起伏和 起伏。2 液态金属均质形核时，体系自由能的变化包括两部分，其中 自由能是形核的阻力， 是形核的动力；临界晶核半径 rK 与过冷度 T 关系为 ，临界形核功 GK 等于 。3 动态过冷度是指 。4 在工厂生产条件下，过冷度增大，则临界晶核半径 ，金属结晶冷却速度越快，N/G 比值 ，晶粒越 。5. 获得非晶合金的基本方法是 。二、 问答1 根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。2 试根
17、据凝固理论，分析通常铸锭组织的特点。3 简述液态金属结晶时，过冷度与临界晶核半径，形核功及形核率的关系。4 铜的熔点 Tm=1356K，熔化热 Hm=1628J/cm2，=17710 7 J/cm，点阵常数 a=0.3615nm。求铜T=100 时均匀形核的临界核心半径。5：何谓过冷，过冷度，动态过冷度，它们对结晶过程有何影响？6 根据冷却速度对金属凝固后组织的影响，现要获得微晶，非晶，亚稳相，请指出其凝固时如何控制。7、简述纯金属凝固时润湿角 、杂质颗粒的晶体结构和表面形态对异质形核的影响。第四章 二元合金相图与合金凝固一、填空1. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有 起
18、伏。2. 按液固界面微观结构，界面可分为 和 。3. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是 ，光滑界面晶体的长大机制是 和 。4 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生 偏析，用 热处理方法可以消除。5 液态金属凝固时，若温度梯度 dT/dX0（正温度梯度下） ，其固、液界面呈 状，dT/dX， 相的常见滑移系为 111， 相的常见滑移系为（0001）。2）它们单晶变形时应力-应变曲线示意图如图。典型的面心立方单晶体的加工硬化曲线可以分为三个阶段。当切应力达到晶体的临界分切应力时，其应力-应变曲线近似为直线，称为易滑移阶段，此时加工硬化率很小，滑移线细长，分布均匀；随后加工硬化率显著增加，称为
19、线性硬化阶段，滑移系在几组相交的滑移系上发生，位错彼此交截，滑移线较短；第三阶段称为抛物线硬化阶段，加工硬化随应变增加而减少，出现许多碎断滑移带，滑移带端部出现交滑移痕迹。多晶体加工硬化曲线一般不出现易滑移的第一阶段，而加工硬化率明显高于单晶体。4 简答：冷加工纤维组织是纯金属和单相合金在冷塑性变形时和变形度很大的条件下，各晶粒伸长成纤维状；带状组织是复相合金在冷塑性变形和变形度大的条件下第二相被破碎或伸长，沿变形方向成带状分布而形成的；变形织构是金属和合金在在冷塑性变形时晶粒发生择优取向而形成的。上述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构都使材料的性能具有方向性，即在各个方向上的性能不均，对使用
20、性能有不良影响，但少数金属材料，如用作变压器的硅钢片，各向异性能更好满足使用要求。5 简答：金属材料经热加工后机械性能较铸造态好的主要原因是热加工时的高温、大变形量使气泡、疏松和微裂纹得到机械焊合，提高了材料的致密性，消除了铸造缺陷，同时改善夹杂物和脆性相的形态、大小和分布，使枝晶偏析 程度减弱，合金成分均匀性提高，热加工中形成合理的加工流线，热加工还可使金属显微组织细化，这些都可以提高金属材料的性能。6 简答：金属材料经冷加工后，强度增加，硬度增加，塑性降低的现象称为加工硬化。产生加工硬化的各种可能机制有滑移面上平行位错间的交互作用的平行位错硬化理论，以及滑移面上位错与别的滑移面上位错林切割
21、产生割阶的林位错强化理论。加工硬化在实际生产中用来控制和改变金属材料的性能，特别是对不能热处理强化的合金和纯金属尤为重要，可以进行热处理强化的合金，加工硬化可以进一步提高材料的强度；加工硬化是实现某些工件和半成品加工成型的主要因素；加工硬化也会带来塑性降低，使变形困难的影响，还会使材料在使用过程中尺寸不稳定，易变形，降低材料耐蚀性。7 简答：可有 8 个滑移系同时产生滑移（可以通过计算 fcc 的滑移系与001 方向的夹角得到此结果） 。开动其中一个滑移系至少要施加的拉应力为) MN/m(93.14.07cos2k9 简答：第二相在冷塑性变形过程中的作用一般是提高合金强度，但还取决于第二相的种
22、类数量颗粒大小形状分布特点及与基体结合界面结构等，对塑性变形影响复杂。第二相强度高于基体但有一定塑性，其尺寸、含量与基体基本接近，则合金塑性是两相的变形能力平均值。第二相硬、脆，合金变形只在基体中进行，第二相基本不变形；第二相均匀、弥散分布在固溶体基体上，可以对合金产生显著强化作用。10 简答：织构由晶粒择优取向形成，变形织构对再结晶织构形成有主要影响，织构造成材料性能各向异性。各向异性在不同情况需要避免或利用。织构控制可以通过控制合金元素的种类和含量、杂质含量、变形工艺（如变向轧制）和退火工艺等多种因素的配合。11 简答：金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化主要有晶粒被拉长，形成
23、纤维组织，冷变形程度很高时，位错密度增高，形成位错缠结和胞状组织，发生加工硬化， ，变形金属中出现残余应力，金属在单向塑性变形时出现变形织构。12 简答： 1）屈服现象是由溶质原子与位错交互作用产生气团产生的，在外力作用下使位错挣脱溶质原子的钉扎，材料出现屈服现象，曲线 2 在位错脱离钉扎后溶质原子来不及重新聚集形成气团，故无屈服现象；曲线 3 在出现屈服后时效再加载，溶质原子可以重新聚集形成气团，故又出现屈服现象；2）屈服现象使金属材料在拉伸和深冲过程中变形不均匀，造成工件表面不平整。可以通过加入与溶质原子形成稳定化合物的其它元素，减少间隙溶质原子含量，减少气团，消除或减轻屈服现象，或在深冲
24、之前进行比屈服伸长范围稍大的预变形，使位错挣脱气团的钉扎，然后尽快深冲。13 简答：根据霍尔 配奇公式： 210kds，则按照题意有：21041）（k和 0645）（，可以解得 050，k25，故可求得当 d=1/16mm 时，根据霍尔配奇公式求得 s502521）（150 MNm -2第八章 回复与再结晶1 名词变形织构：多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构称为变形织构，织构在变形中产生，称为变形织构；再结晶织构是具有变形织构的金属经过再结晶退火后出现的织构，位向于原变形织构可能相同或不同，但常与原织构有一定位向关系。再结晶全图：表示冷变形程度、退火温度与再结晶后晶粒大小的关系（保温时间一定）的图。
