1、合金凝固及铸件组织1、有一 A-B 二元共晶系，A 的熔点为 900，B 的熔点为 700，共晶成分为 60B。共晶温度为 500，以 A 为溶剂的 固溶体最大溶解度为了 30B，以 B 为溶剂的 固溶体最大溶解度为 15A。 若 、 的溶解度在温度下降时保持不变，试画出 A-B 二元相图（液相线，固相线可划成直线）含 B40的合金在完全混合情况下 Ke,Ko 各是多少？上述合金在上述情况下凝固时，共晶体占 试棒的百分之几？若合金含 B 为 50，在完全混合的情况下凝固时有无共晶体，占试棒的百分之几？试求 40B 的合金凝固始端的固相成分？解： 见图。Ko=Cs/Cl=0.3/0.6=0.5,
2、 Ke=Ko=0.5 当l=0.6 时有共晶出现，求此 时的?1)/(00kLZCl 5.4.6即在棒长 55处出现共晶体,共晶体占试棒百他数为 100-555=45 当 CL=0.6 时 ，有共晶体出现求此时？0.05 KO=0.51)/1(00LZCl则： 5.(.693.0LZ即占试棒 99.3时出现共晶 共晶占试棒 0.7C0=0.4. K0=0.5Cs=C0 K0=0.40.5=0.2承题划出凝固后的试棒图，标明共晶体的分布位置。并作出， 试棒中溶质的 浓度分布曲线。完全平衡凝固可用杠杆定律加以描述，问在完全平衡凝固后，在试棒中共晶体的百分数是多少？假设 用这个含的合金作一个大 铸件
3、，如将 这铸件剖开，当在显微镜下观查其组织。问有无可能观查到一些共晶体？假定 具有相同的密度，问铸件组织中被 相占据的体积百分数是多少？解： ( )%(40-30)/(60-30)%=33%大铸 件凝固 时，一般冷却很慢，温度梯度很小，比临界温度梯度小的多。因此不能保持平直液固界面，从而是按树枝状面凝固。当 树枝晶生 长时，若忽略固相中的扩散枝晶间液体的凝固可按正常方式进行，当枝晶外 缘的成分达到 30 时，枝晶间液体成分达到 60。 逐渐凝为共晶体。若在 显微镜下观查时，在枝晶之间可观查到少量共晶体前边已算过合金成分为时，共晶体含量为 0.7。所有 相都存在于共晶体中，而共晶体中 相含量 为
4、：（6030）/(8530) 10054.5若 ， 相具有相同密度，则共晶体中 相所占的体积百分数也是 54.5大铸件中 相所占体积百分数为：0.754.5=0.383.承上题：若有 B 合金按正常凝固，用 g 表示固相已凝固的体积分数（）。试证 明：固相平均成分 (重量百分数)的数学表达式为：SC01(0KSgC试证 明液相的凝固温度 TL和合金已凝因的体积分数的关系为：C0和 CS都是重量百分数。10)(ALmT证明：如下 图B%共晶体 z0 000)1()1()(1.)(/010 10kS kkgKKSgCgCkdAC如图 ，液相 线斜率为 m 在 温度时，固相浓度为 液相浓度为 101
5、001000)()()(.kALkkLLSALgCMTgKXCT、试从成分过冷出发，分析相图和合金流动性，收缩情况间的关系。答：凝固过程中，若成分过 冷严重，界面以 树枝状生长，树枝状形态将影响液体流动性，使流动性下降，收缩多呈分散收 缩形式，形成显微缩孔，即疏松。、试说明 和成分过冷程度及铸锭三区比例的关系？答：由出现成分过冷临界条件公式可知当 时发生成分过冷01KDmCRG01KDmCRG当 时， 越小，越易发生成分过冷。成分过冷越严重，铸锭中心等 轴晶区越大，形核率越大，等轴晶粒尺寸也越小。、试指出研究合金凝固的溶质分布和成分过冷时所作的一些假论条件，说明其作用和意义。答：首先假设固相线
6、和液相线为直线，这样在接近实际相图 情况前提下，便于 计算和理论推导（如计算 值，推 导成分 过冷条件公式）也便于取斜率 值，这样使公式更具有普便指导意义。再有忽略了固相中溶液质扩散。因 为固相和液相当中原子 扩散能力不一样，所以研究实际凝固时受凝固速度的影响，必忽略去固相中原子扩 散，以使 问题简单。、试证明 合金( 试棒经第一次区域熔炼后的溶液质分布方程：exkSKC0)1(0证明：设熔区前进 dx 时，液体中 应当加的溶液质量为 CXdx 由 dx 体积的凝固，使液体中溶质减少 ds(为凝固时固体的浓度) ，液体中溶质的变化为：对此式进行积分，当dxdxCdcl SSl )(00 )ex
7、p()1( )exp()1(,()exp( )ln()ln )(1)(11, 000 00000 000 000 00 lKCKlKCll dClKCcxlLS LL LCLSSl LL、试说明在正温度梯度下为什么固溶体合金凝固时可以呈现树枝状方式生长？而纯金属则得不到树枝状晶体？答：固溶体合金凝固时，液相中不只存在一种 组元（金属） ,另一组元含量少可作为溶质，因此能发生溶质再分布。溶质富集到一定程度可以 产生成分 过冷， （由可知 增加易产生成分过冷）。产生成分过冷后即使宏观上是正01KDmCG的温度梯度，但在成分过冷区也以 树枝状生长。而纯金属凝固时，困为没有溶质存在，因而也不存在溶质再
8、分布问题，所以不会 产生成分过冷。在正温度梯度下只能以平面状生长，不会得到树枝晶。、试指出二元共晶合金中杂质等第三组元对共晶组织形态的影响。答：当共晶合金中含有少量固溶于两组成相的第三组元（杂质）时，则在共晶凝固过程中杂质从 和 相分别排入到界面前沿的液相中，并建立成分 过冷区。在一适当的 条RG件下平直界面开始弯曲，随后呈现胞状生长。10、结合u-Zn 和 Cu-Sn 二元合金相图，分析 Cu-30Zn 黄铜和 Cu-10Sn 青铜单相合金凝固后的组织，试指出：哪种合金的疏松倾向较严重？哪种合金可能会有第二相？哪种合金反偏析倾向大？答：疏松主要是由于枝晶间的液体在凝固收缩时得不到补充液体而产
9、生的。给定的两种合金都是铜基合金，凝固时的体 积收缩差别不大，但凝固温度范围却相差很大。Cu-30Zn 只有 30而 Cu-10Sn 却达成 175，由于凝固时的枝晶长度主要取决于凝固温度范围，因此 Cu-10Sn 的枝晶要长的多，枝晶越长，则补缩液体要通过的通道越长，曲折程度也越大，液体流 动性越差，因此补缩困难，所以 Cu-10Sn 合金的疏松倾向大。如果合金在平衡凝固时不存在第二相，则第二相的出现 主要是由显微偏析引起的。而显微偏析主要取决于平衡分配系数 Ko,Ko 越小，则显微偏析倾向越大。出现第二相的可能性也越大 Cu-10Sn 的Ko 值（0.36）远小于 Cu-30Znr 的 K
10、o 值（0.87）因此 Cu-10Sn 中出现第二相的可能性较大。形成反偏析原因是凝固时合金中产生的体积收缩，迫使固相前沿富集有溶 质的液相倒流回表层所致。由于 Cu-10Sn 在凝固时的枝晶较长，液相倒流回表层 的通道长，因此反偏析的 倾向大。11、试分析两相合金铸锭是否存在宏 观晶区组织？答：例如 、 两相且能形成共晶的合金若合金成分为共晶成分或接近共晶成分，液固界面前沿基本上不 发生溶质的聚集。若对两相分别考虑两相前沿液相中的溶液质可能稍有富化或贫化，但这微小变化不可能产生明显的成分过冷，因而能以共晶体形成析出。若是 远离共晶点，例如亚共晶成份。如果液固界面 为平面状，则凝固过程为先析出
11、先共晶相，然后发生共晶，析出共晶组织。如果液固界面为树枝状时，树枝状偏析会使枝晶间形成共晶组织。因此不会出 现单一共晶区，或减少。12、对相图中的一侧的金属实际上能否应用区域提纯 ？为什么？答：的成分不能应区域提纯。因 为杂质聚集在先凝固一 侧，不能逐 渐富集在一端，因而也就不能起到提纯作用。13、细化铸件晶粒的方法有那些？依据是什么？答：机械振 动a.机械振动一方面能有效地破坏液体金属表面的氧化膜，从而改善液体金属和模壁的接触，加剧液体和模壁之间的 热传递 。其次可以促使依附在模壁上的细晶脱落，使枝晶局部折断，进入液体中起到增加 结晶核心作用， 对细化铸锭中心的等轴晶粒有促进作用b.金属液体
12、的流动加强液面的波动及搅拌，能促 进细晶脱落，可使晶粒 细化。较小的 锭模冷却能力当锭模冷却能力较小时，激冷 层过冷度较小，形核率 较低，晶核间距较大。生长中的细晶易被流动中的金属液体冲刷脱落，从而可使中心等 轴 晶区晶粒细化。孕育 处理加入孕育剂，不仅可以促进非均匀形核，而且可以加剧成分 过冷，使柱状晶易于熔断。悬浮的细晶增多，这些都可以使中心等轴晶区扩大并细化。 （顺便指出，采用增加冷却速度，增大过冷度，从而使形核率增加的方法。在实际生产中由于铸锭较大，很难奏效。 ）14、试证明在固溶体合金平衡凝固 时，若o1，则固体中的高熔点 组元和低熔点组元之比大于在液体中两者之比。证明：设为高熔点组
13、元，为 低熔点组元， 则LBASBAXX1 将 式除以式得K0将不等式左边分母减去 右边分母减去 不等式LBASBAXX XSALA仍成立，即：LBAS LABLASXX15、Al-Cu 合金相图如图所示。 设分配系数 Ko 及液相线斜率均 为常数，试求：含 10%Cu 固溶体进行缓慢地正常凝固，当凝固分数为 50%时所凝固出的固溶体成分？经过 一次区域提 纯后，在处的固体成分， 取=0.5测得 铸件的凝固速率 ，温度梯度 G30/cm， 扩散系数scm4103，合金凝固时 能保持平面界面的最大含 铜 量？scm25103解：据已知条件，由相图 解得：2.3.54876016mCKLS286.0156.01)(16.0KSlxC83.0)5.6exp().0(1LS显微组织中出现轻微胞状，可 视为发生成分过冷的临界条件，即： 18.0)6.(2.31045000 KRGDCKDmRG16、利用上题数据，设合金成分为 Al-1.5wtCu，液体无 对流， 计算：开始凝固 时 的界面温度？保持液固界面为平面界面的温度梯度？解： 37.6501.237.600 KCmT保持平直界面的临界条件为：（cm）8416.033)(5.2)1(0 DKRCG
