第四章 二元合金相图与合金凝固答案

第四章 二元合金相图与合金凝固

一、本章主要内容：

相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律；

二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析 固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼；

二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面；

共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶；

二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶反应的应用 铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭中的偏析

其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，

熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变 二元相图总结及分析方法

二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图， 相图与合金性能的关系

相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图 二、 1.填空

1 相律表达式为___f=C-P+2 ___。

2. 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___成分_______起伏。 3. 按液固界面微观结构，界面可分为____光滑界面_____和_______粗糙界面___。 4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是______垂直长大机制_____，光滑界面晶体的长大机制是____二维平面长大____和_____依靠晶体缺陷长大___。

5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生__枝晶____偏析，用____均匀化退火___热处理方法可以消除。

6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈___平直状___状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为______树枝___状。

7. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为____伪共晶。

8 共晶，包晶，偏晶，熔晶反应式分别为_______L1→?+β______, __ L+?→? ____, ______ L1—L2＋?________, ___________γ→?+ L _______。

10 共析，偏析，包析反应式分别为______γ→?+β________，______ ?1—?2＋? ________，

1

_______?+β→γ______。

11 固溶体合金凝固时，溶质分布的有效分配系数k0=__ Cs/Cl __ 14 固溶体合金定向凝固时，液相中溶质混合越充分，则凝固后铸锭成分_偏析最严重__。 15. 在二元相图中，L1→?+L2叫___偏晶___反应，?→L+?称为___熔晶__转变，而反应?

１

—?２＋?称为____偏析___反应，?+???称为___包析___反应。

19 Fe-Fe3C相图中含碳量小于__ 0.0218-2.11% __为钢，大于___ 2.11% __为铸铁；铁碳合金室温平衡组织均由_______F______和____ Fe3C __________两个基本相组成；根据溶质原子的位置，奥氏体其晶体结构是____ FCC __________，是____间隙________固溶体，铁素体是_____ ____间隙固溶体______固溶体，其晶体结构是__ BCC ____，合金平衡结晶时，奥氏体的最大含C量是___ 2.11 _______；珠光体是由___铁素体____和__渗碳体__组成的两相混合物；莱氏体的含碳量_____ 4.3% ____；在常温下，亚共析钢的平衡组织是___ P+F ___，过共析钢的平衡组织是____ P+Fe3CII ____，亚共晶白口铸铁的平衡组织是_______ Ld _____，莱氏体的相组成物是____ A+ Fe3C ______，变态莱氏体的组织组成物是___ P+Fe3C +Fe3CII ___ ，Fe3CI是从_________液相_______中析出的，Fe3CII是从_______A__________中析出的，Fe3CIII是从____________F________中析出的，它们的含碳量为________ 6.69 __________，Fe3C主要性能特点是_____硬、脆_________，A共析反应后的生成物称为______ P ______。 2. 选择

1 图1中Ⅲ合金非平衡凝固后的组织为___B___。

A ? B ?+?II C ?+未转变的?

图1

Ⅲ Ⅱ 图2 2 要得到细小的层片状共晶组织，必须__A_____。

A增大过冷度 B降低凝固速度 C 增大两相间的界面能

3 图2中1，2，3合金在常温下凝固后，枝晶偏析最小的是____C______。

2

A 合金1 B 合金2 C 合金3 3 有枝晶偏析的铜镍合金，___B_____

A 枝干富Cu，枝间富Ni B 枝干富Ni，枝间富Cu C 枝干和枝间都富Cu

9 室温下含0.3%C的钢平衡条件下，组织组成物为_____A______。

A F+P B F+Fe3C C (Fe3C)II+P

10 铁碳合金中的Fe3CII是从__B__中析出来的。

A 液相 B 奥氏体 C铁素体 D 珠光体

11 Fe3CII含量最多的是___C_____。

A Fe-0.0218%C合金 B Fe-0.77%C合金 C Fe-2.11%C合金 D Fe-6.69%C合金

12 亚共析钢于两相区长时加热，（ B ）变成单相奥氏体。A 能 ，B 不能

3 名词解释

负温度梯度，粗糙界面，平衡分配系数，枝晶偏析，均匀化退火，成分过冷，比重偏析，伪共晶，离异共晶，不平衡共晶，包析反应，共析反应，偏晶反应，珠光体，莱氏体，二次渗碳体，正偏析、反偏析、比重偏析 4 判断

1、 固溶体合金形核比纯金属形核难。（√ ）

2 产生新相，其自由能一定要比母相低才能发生。（ × ）

3 在一定温度下二元合金中存在二相平衡条件是?相和?相有相同的自由能。（× ） 4 晶粒之间化学成分不均匀的现象，称为枝晶偏析。（√ ） 5 晶内偏析可通过均匀化退火消除。（√ ）

6 存在晶内偏析的固溶体相由于其晶粒内各处成分不同，所以不能看成一个相。（× ） 8 成分过冷愈大，树枝组织愈发达。（√ ） 9 任何合金的不平衡结晶总是先结晶的固溶体晶粒含高熔点组元多，而后结晶的固溶体枝晶含低熔点组元多。（√ ） 10 离异共晶只能在非平衡条件下产生。（ × ）--初晶相很多共晶相很少可能产生

11 扩散退火可消除区域偏析。（ × ） 12 二元合金中的稳定化合物有一定熔

3

点。（√ ）在熔点以下不发生分解（√）不稳定化合物都是共析反应的生成物。（× ） 13 如右图是A-B二元固溶体合金凝固时产生成分过冷的示意图。其中To是A组元的熔点（× ），Ti是固/液界面处的温度（ √ ），曲线是界面前沿液态合金的液相线温度（× ）， 开始凝固温度连线

G是界面前沿的温度梯度，当G增大时，成分过冷度增大。（× ） 实际温度分布

14 二元相图中三相平衡时温度恒定，而平衡三相成分可变。（ √ ）

15 宏观上观察，若固/液界面是平直的称为光滑界面结构；若是金属界面呈锯齿形称为粗糙界面结构。（ × ）

16 无论平衡或非平衡凝固，只要初晶的量很多，共晶的量很少，就可能出现离异共晶。（√ ） 17凝固时，成分过冷的临界条件方程是：G/R=mc0/D·(1-k0)/k0 (√ )，只有当G/R>mc0/D·(1-k0)/k0时才产生成分过冷。（ × ） 19 在二元合金中，铸造性能最好的是共晶合金。（√ ）

20 固溶体合金凝固时，在正温度梯度下晶体也可能以树枝晶长大。（√ ）

21 无论何种成分碳钢组织中铁素体相对量随C%增加而减少，珠光体相对量则增加。（× ） 22 莱氏体和变态莱氏体存在的温度范围不同（√ ），除此之外，二者无其他差别（× ）。 高于727 Ld=A+Fe3C,小于727Ld′=P+Fe3C(Fe3C+ Fe3CII) 23 铸铁平衡结晶过程只有共晶转变而没有共析转变。（× ）

24 Fe-Fe3C相图中，含碳量低于0.0218%的合金平衡结晶组织中才有三次Fe3C存在。（× ） 25 铁素体与奥氏体的根本区别在于溶碳量不同，铁素体少而奥氏体多。（× ） 5 问答

1 试说明在正温度梯度下，为什么固溶体合金凝固时可以呈树枝状方式成长，而纯金属则得不到树状晶。

固溶体合金形核除需要能量起伏和结构起伏外，还需要成分起伏，非平衡结晶时产生偏析，一般会产生成分过冷，凝固过程是在一个温度区间进行，而纯金属凝固在等温进行。 2、根据铁碳相图回答下列问题： （1） 写出下列合金的化学成分：

a.最容易产生枝晶偏析的合金；亚共晶白口铁。

b.Fe3CII含量最多的合金；c.珠光体含量最多的合金；d.莱氏体含量最多的合金。 Fe3CII含量最多的合金、珠光体含量最多的合金、莱氏体含量最多的合金的合金成分分别为含碳量2.11%，0.77%，4.3%。

(2) 画出Fe-1.2%C合金的室温平衡组织示意图，并计算出其中相组成物和组织组成物的百分含量。教材P139(3)绘出含0.4%C的亚共析碳钢的室温平衡组织示意图。

4

1.2%

(4)根据Fe-Fe3C状态图确定下列三种钢在给定温度下的显微组织（填入表中） 含碳量 0.4 0.77 1.0 温度℃ 770 680 700 显微组织 A+F P P+Fe3CⅡ 温度℃ 900 770 770 0.4%

显微组织 A A A+ Fe3CⅡ 4根据Fe-Fe3C相图分析含碳量为0.6%的碳钢其室温平衡组织是什么？计算其共析温度下相组成物及组织组成物相对含量。 该合金室温下组织组成物为：F＋P 组织组成物的相对重量百分比为：

P55S?100%，W???100% PSPSP55KW??100%,W??100% 共析温度下相的相对重量百分比为 Fe3C?PKPKWP?5计算室温平衡组织为铁素体+珠光体且F/P=3/1时的含碳量，并示意绘出组织图。 亚共析钢0.58%

(0.77-x)/(0.77-0.0218)=0.75

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