《材料成形基本原理（第3版）》 习题及答案 第五-六章 单元复习题

PAGEPAGE1第五-六章单元复习题练习一一、填空1、特定温T*下液、固相成分达到平衡时，溶质平衡分配系数K0定义的数学表达式为：。2、随温度的上升，溶质平衡分配系数K0为。3、∣称为“”。二、判断题（T或F）1、溶质再分配既受溶质扩散性质的制约，也受液相中的对流强弱等诸种因素的影响。2、溶质再分配只影响凝固过程溶质宏观及微观分布及最终成分偏析现象，而不影响凝固组织形貌和晶粒大小，也不影响热裂、气孔等凝固缺陷的形成。图5-1成分为C0合金的凝固3、图5-1所示成分为图5-1成分为C0合金的凝固4、虽然实际凝固过程中固、液两相成分不可能完全遵从平衡相图来分配，凝固理论认为，固-液界面处成分C与C的比值在任一瞬时仍符合相应的溶质平衡分配系数K0（处于局部平衡状态）。这被称为“界面平衡假设”。5、“凝固后零件断面的成分均匀地为CS=C0。所以“C0。6、对于“液相充分混合”所假设的溶质再分配条件下，固-液界面前沿不存在溶质富集层，即界面处及其前方的液相成分处处相同。7、在“液相充分混合”所假设的溶质再分配条件下，固-液界面处的固相及液相成分C、C随凝固过程的进行均始终在不断升高。8、在“液相只有有限扩散”“液相中部分混合（有对流作用）”溶质再分配条件下，固-液界面处的固相及液相成分C、C随凝固过程的进行始终不断升高。9、在“液相只有有限扩散”“液相中部分混合（有对流作用）”溶质再分配条件下，当达到稳定状态时，界面处及其前方液相成分溶质富集层以外的成分均为CL=C0。三、解答题1、在右图中，液态合金成分为C0。假设在冷却过程中按平衡方式凝固（液相及固相成分均按相图变化），在图上分别标出T1，T2及任意特定温度T*与液相线、固相线的交点的成分，以及两个空白的()中的相区。2、图5-2所示，为两种溶质再分配情况下凝固过程固液、液相成分随距离的分布。分别指出图（a）及图(b)各属于哪种溶质再分配情况。简述图(b)中C、C的物理内涵及原因。(b)图5-2两种溶质再分配情况下凝固过程固液、液相成分随距离的分布图5-3液相只有有限扩散凝固条件下溶质再分配3、图5-3为液相只有有限扩散凝固条件下溶质再图5-3液相只有有限扩散凝固条件下溶质再分配在三条虚线与纵坐标相交处标出其对应特征成分；以纵虚线标出最初过渡区进入写出稳定阶段界面前方富集层溶质浓度与的关系式；标出“特征距离”λ=及其对应处的高度，并写出其表达式；在图示情况下，若原凝固速度R1突然降低到R2定值时，固相成分如何调整？4、在“液相中部分混合（有对流作用）”的溶质再分配条件下，当达到稳定状态时，根据公式：，从数学角度讨论稳态时其C及C值与“液相只有有限扩散”溶质再分配条件下的差异所在，并从实际物理过程予以说明。5、在“液相只有有限扩散”溶质再分配条件下，讨论稳定状态时凝固速度R、溶质扩散系数DL、平衡分配常数K0对溶质富集层-曲线的斜率、C高度的影响规律。练习二一、判断题（T或F）1、凝固过程由溶质再分配引起固-液界面前沿的溶质富集，从而导致一定宽度内熔体的实际温度低于界面前沿熔体液相线温度，这种由合金成分再分配所引起的过冷称为“成分过冷”。2、GL=表示凝固界面处液体实际温度梯度GL正好与曲线相切，为成分过冷是否出现的临界点。3、GL=的情况下，若降低凝固速度R，将会出现成分过冷。4、其他条件相同情况下，无论K0＜1还是K0＞1，溶质平衡分配系数K0小的合金更易于发生出现成分过冷。5、其他条件相同情况下，原始浓度C0高的合金更易于出现成分过冷。6、是否出现成分过冷及成分过冷的程度，既取决于合金性质因素（K0、C0、DL、mL）,也取决于工艺因素（R，GL）。二、解答题1、设某二元铝合金的液相线及固相线均为线性，液相线斜率绝对值为mL=1.5(K/C%),其K0=0.25，合金原始成分C0=1%，纯铝（Al）熔点约取为Tm=660oC。在“液相只有有限扩散”溶质再分配条件下，凝固速度R=100μm/S时，溶质扩散系数DL=5000μm2/S。（1）画出具有液相线及固相线的部分相图；分别计算固液界面前沿各处的(保留4位小数)及对应于液相线温度(保留1位小数)，将计算值填入下表：,μm020406080100300600,%,oC（2）根据计算结果，作图描点、以光滑曲线表达-、-关系，并对其做简要讨论。若考虑凝固需要的动力学过冷度-图上以虚线作另一条实际的-曲线；（3）以界面前沿液体的实际温度梯度GL1=80K/mm及GL2=25K/mm在-图上分别作直线，指出是否成分过冷？2、设某合金的K0=0.6，液相线斜率绝对值为mL=3(K/C%),溶质扩散系数DL=5000μm2/S。（1）当在“液相只有有限扩散”溶质再分配条件下，凝固速度R=25μm/S，界面前沿液体温度梯度GL=10K/mm时，判断在合金原始成分分别为C0=1%及2%两两种情况下成分过冷的可能；（2）在上述合金原始成分为C0=1%条件下，若分别使R变大或GL变小，会发生何情况？3、证明：教材中判别式(4-8)可表达为＜,其中，。练习三一、判断题（T或F）1、界面液相一侧形成负温度梯度时，前方熔体获得大于“ΔTk）的过冷度，这种仅由熔体存在的负温度梯度所造成的过冷，习惯上称为“热过冷”。2、无论是纯金属还是合金，只有当凝固界面液相一侧形成负温度梯度时，才可能出现过冷现象。3、纯金属凝固界面前方温度梯度为正时，不可能出现GL，则可能出现胞状晶及的生长方向均垂直于固-液界面，与热流相反而与晶体学取向无关。7、各生长方向尺度相近的等轴晶，是不会以树枝晶的方式进行生长的。8、生长方向性较强的非金属晶体，其平衡态的晶体形貌具有清晰的多面体结构；方向性较弱的金属晶体，其平衡态近乎球形。填空题1、熔体内部的过冷度大于时，将满足内部等轴晶（自由树枝晶）的生长条件。4、晶体外表面界面能较的晶面（密排面）。因此，对于立方晶体等轴树枝晶生长过程中，所形成的棱与角的狭面为界面能的晶面，枝晶生长方向与之垂直；同理，的优先生长方向为排面的发线方向<>。5、合金固溶体的固-液界面若以平面向前推进，该界面从温度角度是一面，与相图上对应于成分的平衡温度相比，界面实际温度要低6、晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式，称为“生长”。平面生长、生长和生长皆属于外生生长。等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为“生长”。7、枝晶间距的表达式中，R与GL乘积的量纲相当于的量纲。冷却速度越大，枝晶间距。8、凝固过程枝晶间距越小，合金的成分偏析程度，凝固热裂纹形成倾向，显微缩松及夹杂物分布的分散度，材料的性能。图5-4解答题图5-4如图，自左向右凝固的固-液界面温度为Ti，因成分富集界面前沿液相线以TL(X’)曲线所示。ΔThe为异质形核所需过冷度。设当前工艺因素(R、GL)不变，如何改变合金性质的参数C0、K0，使固-液界面按进行合金性质不变，如何改变工艺因素使之发生内部等轴晶“2、对于练习二中第2题的条件，若GL2=25K/mm，以作图法求出成分过冷区域的大约宽度。若该合金固溶体出现柱状树枝晶所需的成分过冷宽度为800μm以上，在GL2=25K/mm对应的成分过冷度下固-液界面是以何种形态？其晶体前端可达到的何位置？填空题根据Jackson因子，共晶的两相均为粗糙-粗糙界面的可发生调整而。例如，α相前沿的处因B原子扩散困难而浓度升高，其聚集程度随生长速度R的而更为严重，导致α相在此处推进速度而形成凹坑，凹坑处B原子扩散越发困难。当B原子浓度升高到足以使β相生核，新的β相片层在原α相中心处形成，因此随R增大片层距。共生区有“对称型共生区”、“非对称型共生区”两种类型，前者的合金两个组元熔点、成分点在相图的中间位置附近、两相长大速度基本，后者共生区失去性而偏向于熔点组元一侧。规则共晶为层片状还是棒状，主要取决于两相的差别，当其中一相的体积分数小于时，则该相倾向于以棒状方式生长。二、判断题（T或F）纯度的二元规则共晶合金结晶时，A、B两组元的横向扩散，共生界面前沿难以形成成分过冷，一般以平坦的共生界面向前推进。4、层片状规则共晶中两相总是以平行的方式交替平直排列。5、灰铸铁γ-Fe与G（石墨）共晶反应过程领先相石墨呈片状生长且不断发生分枝及弯曲，而奥氏体则以非封闭晕圈形式包围着石墨片一起长大，这种不规则的共晶生长不属于共生生长范畴。解答题图5-5共晶共生区根据图5-5共晶共生区的位置，有人认为：箭头所示成分的合金，在整个凝固过程中不会进入到共生区，即合金最终凝固组织中不会有共晶组织存在。图5-5共晶共生区请指出上述观点的正误，并说明理由。石墨晶体结构图5-6石墨的晶体结构与及其晶面与晶向表达见图5-6。随条件的不同，铸铁L→γ-Fe+G（石墨）共晶反应有两种完全不同的方式：(1)G突破γ-Fe非封闭晕圈,与熔体相接触以棱柱面法线方向[100]生长呈片状；(2)G在γ-Fe封闭晕圈内以基面法线方向[0001]生长呈球状。某车间有两种铁水，凝固中G图5-6石墨的晶体结构与A、σGL(0001)＜σGL(100)B、σGL(0001)＞σGL(100)试问：哪种铁水（A还是B）对应产生第（1）种共晶反应？第（1）种共晶反应γ-Fe与G的生长是否属于共晶共生模式？A、B铁水最终分别得到的是球墨铸铁还是灰铸铁？第五-六章单元复习题参考答案练习一填空：1、特定温T*下液、固相成分达到平衡时，溶质平衡分配系数K0定义的数学表达式为：K0=。随温度的上升，溶质平衡分配系数K0为常数。3、∣称为“偏析系数”。二、判断题（T或F）T;2、F;3、F;4、T;5、F;6、T;7、T;8、F;9、T;10、三、问答题1、在右图中，液态合金成分为C0。假设在冷却过程中按平衡方式凝固（液相及固相成分均按相图变化），在图上分别标出T1，T2及任意特定温度T*与液相线、固相线的交点的成分，以及两个空白的()中的相区。解答：见图中标注。2、答：（1）图（a）及图(b)分别属于“固相无扩散而液相充分混合均匀”及“平衡凝固”溶质再分配情况。（2）图(b)中：C的物理内涵为：液固界面上刚刚析出的固相成分与固相整体平均成分一致。从另一角度说，固相不同部位的成分处处相同。C的物理内涵为：液固界面上的液相成分与液相整体平均成分一致。从另一角度说，液相不同部位的成分处处相同。上述物理内涵的原因在于，在图(b)描述的“平衡凝固”溶质再分配情况下，固相、液相的成分在凝固过程的任一瞬间（或温度）与平衡相图的固相线、液相线吻合，固相及液相成分能够及时地、充分地均匀化。3、答：（1）、（2）、（3）、（4）的内容见下图。（5）若凝固速度R1突然降低到R2定值时，C0C04、答：在“液相中部分混合”的溶质再分配条件下，当达到稳定状态时，由于C表达式右端分母必然大于平衡分配系数K0，所以其C值必然小于C0/K0，即稳定状态时，其C值小于“液相只有有限扩散”的C；又因为C=K0C，所以其时C也小于C0（“液相只有有限扩散”稳定状态的C）。从实际物理过程看，由于“液相只有有限扩散”条件下液相无对流存在，而“液相中部分混合”条件下液相有对流作用，界面前沿溶质更易于向前方远处输运，后者的凝固界面前沿液相成分C（溶质富集层最高成分）必然小于前者的值C0/K0，界面的固相成分C也因之小于C0。5、参见教材中相关内容进行整理、归纳。练习二一、判断题（T或F）1、T;2、T;3、F;4、F;5、T;6、T二、解答题1、解：（1）根据公式，将数据带入分别计算出各处的见下表。将各处的值带入得到的也在表中。，μm,μm020406080100200500600,%43.01102.34801.90361.60571.40601.05491.00041.0000,oC654655.5656.5657.1657.6657.9658.4658.5658.5（2）根据计算结果，作图如下。可见，离开界面处，由于液相浓度随距离逐渐降低，液相线温度TL（）也逐渐上升。（3）作图可见，GL1=80K/mm时无成分过冷，而GL2=25K/mm时出现了成分过冷。2、解：（1）根据“成分过冷”判别式：＜,将数据带入有，当C0=1%时：左端项：=，左端项：==，即：=，表明在=0处温度梯度GL正好与曲线相切，不会出现成分过冷；当C0=2%时：==，即：＜，所以在C0=2%时出现成分过冷。（2）在上述合金原始成分为C0=1%条件下，若分别使R变大或GL变小，都将出现成分过冷。3、证：“液相只有有限扩散”溶质再分配条件下“成分过冷”判别式：＜其-关系如图b)所示，其中，。根据图a)有：∴∴＜=即:＜,得证。练习三一、判断题（T或F）1、T;2、F;3、T;4、F;5、F;6、F；7、F；8、T填空题1、在合金其他性质不变的情况下，若提高比值或降低合金成分C0，合金固溶体结晶形貌变化趋势为：熔体内部的过冷度大于非均质生核最有效衬底大量生核所需的过冷度时，将满足内部等轴晶（自由树枝晶）的生长条件。4、晶体外表面界面能较小的晶面（密排面）。因此，对于立方晶体等轴树枝晶生长过程中，所形成的棱与角的狭面为界面能大的晶面，枝晶生长方向与之垂直；同理，的优先生长方向为非密排面的发线方向<100>。5、合金固溶体的固-液界面若以平面向前推进，该界面从温度角度是一等温面，与相图上对应于界面液相（）成分的平衡温度相比，界面实际温度要低晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式，称为“外生生长”。平面生长、胞状生长和柱状树枝晶生长皆属于外生生长。等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为“内生生长”。7、枝晶间距的表达式中，R与GL乘积的量纲相当于冷却速度（oC/sec）。冷却速度大，枝晶间距越小。8、凝固过程枝晶间距越小，合金的成分偏析程度越小，凝固热裂纹形成倾向越小，显微缩松及夹杂物分布的分散度越大，材料的性能越好。＜，工艺因素（R、GL）不变，降低合金成分C0和/或增大K0，可降低成分过冷程度，使之进行合金性质不变，降低GL和/或增大生长速度R，可增大成分过冷程度，促进内部等轴晶“2、解：作图可知，成分过冷宽度约195μm。在该成分过冷度下固-液界面为胞状界面形态，其晶体前端只可达到为195μm处。填空题根据Jackson因子，共晶的两相均为粗糙-粗糙界面的可发生调整而。例如，α相前沿中心处因B原子扩散困难而浓度升高，其聚集程度随生长速度R的增大而更为严重，导致α相在此处推进速度减慢而形成凹坑，凹坑处B原子扩散越发困难。当B原子浓度升高到足以使β相生核，新的β相片层在原α相中心处形成，因此随R增大片层距减小。共生区有“对称型共生区”、“非对称型共生区”两种类型，前者的合金两个组元熔点相近、共晶成分点在相图的中间位置附近、两相长大速度基本相同。后者共生区失去对称性而偏向于高熔点组元一侧。9、规则共晶为层片状还是棒状，主要取决于两相体积的差别，当其中一相的体积分数小于1／π时，则该相倾向于以棒状方式生长。二、判断题解答题图4-5共晶共生区此说法过于绝对。因为箭头所示成分的合金熔体在温度降至液相线以下时，由于先共晶α相的析出，其液相成分逐步升高。在适合的实际凝固条件下，当达到共晶温度以下某温度时，其剩余液相成分有