课后习题(金属学).doc

第1章 习题第2章 习题2-4 试比较均匀形核与非均匀形核的异同点。答：相同点1）形核的驱动力和阻力相同；2）临界晶核半径相等；3）形成临界晶核需要形核功；4）结构起伏和能量起伏是形核的基础；5）形核需要一个临界过冷度；6）形核率在达到极大值之前，随过冷度增大而增加。与均匀形核相比，非均匀形核的特点：1）非均匀形核与固体杂质接触，减少了表面自由能的增加；2）非均匀形核的晶核体积小，形核功小，形核所需结构起伏和能量起伏就小；形核容易，临界过冷度小；3）非均匀形核时晶核形状和体积由临界晶核半径和接触角共同决定；临界晶核半径相同时，接触角越小，晶核体积越小，形核越容易；4）非均匀形核的形核率随过冷度增大而增加，当超过极大值后下降一段然后终止；此外，非均匀形核的形核率还与固体杂质的结构和表面形貌有关。2-7 为了得到发达的柱状晶区应该采取什么措施？为了得到发达的等轴晶区应该采取什么措施？其基本原理如何？答：铸锭组织控制，主要是对柱状晶区和等轴晶区的分布范围和晶粒大小的控制。变更合金成分和浇铸条件可以改变各晶区分布范围的大小。对给定合金而言，有利于柱状晶区发展的因素有：较快的冷却速度，高的熔化温度和浇注温度，定向散热等；有利于等轴晶区发展的因素有：较慢的冷却速度，低的熔化温度和浇注温度，均匀散热等。为了获得细小的等轴晶粒，可采用变质处理、振动和搅拌等措施。2-8 指出下列各题错误之处，并改正之。1) 所谓临界晶核，就是体系自由能的减少完全补偿表面自由能增加时的晶胚大小。改正：临界晶核是体积自由能的减少补偿2/3表面自由能增加时的晶胚大小。2) 在液态金属中，凡是涌现小于临界晶核半径的晶胚都不能成核，但是只要有足够的能量起伏提供形核功，还是可以成核的。改正：即使有足够的能量起伏供给，小于临界晶核半径的晶胚也不能成核。3) 无论温度分布如何，纯金属都是以树枝状方式生长。改正：在负的温度梯度下，纯金属以树枝状方式生长。第3章 习题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。3-12 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达？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Cu-Zn合金液相线和固相线之间的距离较小，所以流动性好；wSn=10%的Cu-Sn合金液相线和固相线之间的距离大，所以形成疏松的倾向、热裂倾向和枝晶偏析倾向大。第4章 习题4-1 分析wC=0.2%、wC=0.6%、wC=1.2%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的转变过程，用冷却曲线和组织示意图说明各阶段的组织，并分别计算室温下的相组成物和组织组成物的含量。解：在室温下，铁碳合金的平衡相是-Fe（碳的质量分数是0.008%）和Fe3C（碳的质量分数是6.69%），故（1）wC=0.2%的合金在室温时平衡状态下相的相对量及Fe3C相的相对量分别为wC=0.2%的合金在室温下平衡态下的组织是-Fe和珠光体，其组织可近似看做和共析转变完时一样，在共析温度下-Fe碳的成分是0.0218%，共析组织的碳的成分为0.77%，故wC=0.2%的合金在室温时组织中P的相对量为（2）wC=0.6%的合金在室温时平衡状态下相的相对量及Fe3C相的相对量分别为wC=0.6%的合金在室温下平衡态下的组织是-Fe和珠光体，在室温时组织中P的相对量为（3）wC=1.2%的合金在室温时平衡状态下相的相对量及Fe3C相的相对量分别为wC=1.2%的合金在室温下平衡态下的组织是珠光体和Fe3C，在室温时组织中P的相对量为4-2 分析wC=3.5%、wC=4.7%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的平衡结晶过程，画出冷却曲线和组织变化示意图，并计算室温下的组织组成物和像组成物的含量。解：wC=3.5%的铁碳合金在室温平衡相是-Fe（碳的质量分数是0.008%）和Fe3C（碳的质量分数是6.69%），故（1）wC=3.5%的合金在室温时平衡状态下相的相对量及Fe3C相的相对量分别为因为刚凝固完毕时，初生相和共晶组织中碳的成分分别为2.11%和4.3%，所以刚凝固完毕时初生相的相对量和共晶的相对量分别为在刚凝固完毕时，全部相（包括初生相和共晶中的相）的相对量是碳的成分为2.11%的相从共晶温度冷却到共析温度后，它的成分变为0.77%，在冷却过程中它析出Fe3C相，每份相析出Fe3C的量为现在相的量是69.65%，所以到共析温度析出的Fe3C相对于整体的相对量为因为合金中的相到共析温度析出Fe3C，总体的相的相对量减少15.77%，余下的相在共析温度都转变为共析体，所以共析体的相对量为4-3 计算铁碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大可能含量。解：4-5 为了区分两种弄混的碳钢，工作人员分别截取了A、B两块试样，加热至850保温后以极缓慢的速度冷却至室温，观察金相组织，结果如下：A试样的先共析铁素体面积为41.6%，珠光体的面积为58.4%。B试样的二次渗碳体的面积为7.3%，珠光体的面积为92.7%。设铁素体和渗碳体的密度相同，铁素体中的含碳量为零，试求A、B两种碳钢含碳量。解：假设A试样中的碳含量为x1假设B试样中的碳含量为x24-6 利用Fe-Fe3C相图说明铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系。答：4-7 Fe-Fe3C相图有哪些应用，又有哪些局限性？答：(1) 选择材料方面的应用1) 分析零件的工作条件，根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律进行选择材料。若零件要求塑性，韧性好，如建筑结构和容器等，应选用低碳钢(0.100.25%C)；若零件要求强度、塑性、韧性都较好，如轴等，应选用中碳钢(0.250.60%C)；若零件要求硬度高、耐磨性好，如工具等，应选用高碳钢(0.61.3%C)。2) 根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律，确定选定材料的工作范围。白口铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其具有很高的抗磨损能力，可应用于少数需要耐磨而不受冲击的零件，如：拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等。(2)