金属学课程-第3章-习题答案

第3章习题3-1在正温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能呈树枝状成长，而固溶体合金却能呈树枝状成长？答：纯金属凝固时，要获得树枝状晶体，必须在负的温度梯度下；在正的温度梯度下，只能以平面方式长大。而固溶体实际凝固时，往往会产生成分过冷，当成分过冷区足够大时，固溶体就会以树枝状长大。3-3有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的Ni=90%，另一个铸件的Ni=50%，铸后自然冷却。问：（1）凝固后哪个铸件的枝晶偏析严重？（2）哪种合金成分过冷倾向较大？（3）室温下哪个铸件的硬度较高？答：（1）Ni=50%的合金枝晶偏析严重。在铸件的形状、尺寸和冷却条件相同的情况下，枝晶偏析的程度主要取决于液、固相线之间的水平距离，水平距离越大，结晶出来的固相成分和合金成分的差别越大，枝晶偏析越严重。Ni=50%的合金液、固相线之间的水平距离大，所以枝晶偏析严重。（2）Ni=50%的合金成分过冷倾向大。Ni=50%的合金就是Cu=50%的合金，Ni=90%的合金就是Cu=10%的合金；把Cu看作溶质，溶质溶度越大，越容易形成成分过冷，所以Cu=50%的合金（即Ni=50%的合金）成分过冷倾向大。（3）Ni=50%的合金硬度高，溶质含量越高，固溶强化的效果越好。3-4何谓成分过冷？成分过冷对固溶体结晶时晶体长大方式和铸锭组织有何影响？答：成分过冷是指合金凝固时由于液固界面前沿溶质浓度分布不均匀，使其实际温度低于其理论熔点而造成的一种特殊过冷现象。在正的温度梯度下，若无成分过冷，晶体以平面方式生长，界面呈平直界面。成分过冷区较小时，晶体以胞状方式生长，呈现凸凹不平的胞状界面，称为胞状组织或胞状结构。成分过冷区大时，晶体可以树枝状方式生长，形成树枝晶。在两种组织形态之间还会存在过渡形态：平面胞状晶和胞状树枝晶。当成分过冷度大于形成新晶核所需要的过冷度时，就会在固液界面前沿的液相中产生大量的新晶核，从而获得等轴晶粒。3-7根据下列实验数据绘出概略的二元共晶相图：组元A的熔点为1000℃，组元B的熔点为700℃；wB=25%的合金在500℃结晶完毕，并由%的先共晶α相与%的（α+β）共晶体所组成；wB=50%的合金在500℃结晶完毕，并由40%的先共晶α相与60%的（α+β）共晶体所组成，而此合金中的α相总量为50%。（解：设共晶线上两端点成分分别为，，共晶点的成分为，则根据已知条件，有

由上式分别解得，，。画出的相图如下图所示。3-11试指出图中的错误之处，说明理由，并加以改正。解：图中有四处错误：（1）d、e两点应重合，因为对组元A，α-A和β-A发生同素异构转变时，自由度F=1-2+1=0，转变在恒温下进行；（2）水平线cb应与三个单相区接触而不是两个单相区，因为二元系恒温转变时，自由度F=0，P=3，应三相平衡；（3）水平线fghij应与三个单相区接触而不是四个单相区，因为二元系恒温转变的自由度F=0时，P=3，最多有三相平衡；（4）kln线应为水平线而不是斜线，因为二元系三相平衡转变时，自由度为零，在恒温下进行。右图为改正后的相图。3-12假定需要用wZn=30%的Cu-Zn合金和wSn=10%的Cu-Sn合金制造尺寸、形状相同的铸件，参照Cu-Zn和Cu-Sn二元合金相图，回答下述问题：1）哪种合金的流动性好？2）哪种合金形成疏松的倾向大？3）哪种合金的热裂倾向大？4）哪种合金的偏析倾向大？答：合金的流动性、形成疏松的倾向、热裂的倾向、枝晶偏析倾向主要取决于相图上液相线和固相线之间的距离。液相线和固相线之间的距离越大，合金的流动性越差，形成疏松的倾向、热裂倾向、枝晶偏析倾向越大。wZn=30%的C