工程材料习题集参考答案(第四章)

习题集部分参考答案

4合金的结构与相图

思考题

1.何谓合金？合金中基本的相结构有哪些？

答：合金是指两种或两种以上的金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。合金中基本的相结构有固溶体、金属化合物两类。

2.相组成物和组织组成物有何区别？

答：相组成物是指组成合金中化学成分、结构和性能均匀一致的部分。

组织组成物是指显微组织中具有某种形貌特征的独立部分。

两者的区别在于相组成物是不涉及金相形态的。

3.固溶体合金和共晶合金的力学性能和工艺性能有什么特点？

答：固溶体晶体结构与组成它的溶剂相同，但由于溶质原子的溶入，造成了晶格畸变，阻碍了晶体滑移，结果使固溶体的强度、硬度提高，且大多固溶体还保持着良好的塑性。而共晶合金组织为二相混合物时，合金的性能与成分呈直线关系。当共晶组织十分细密时，硬度和强度会偏离直线关系而出现峰值。共晶合金熔点低，流动性好，易形成集中缩孔，不易形成分散缩孔，铸造性能较好。

4.合金的结晶必须满足哪几个条件？

答：合金的结晶需要满足结构、能量和化学成分三个条件（或者叫三个起伏）。

5.纯金属结晶与合金结晶有什么异同？

答：相同点：形成晶核、晶核长大；能量和结构条件。

不同点：合金结晶还需要“化学成分条件”；从结晶的自由度看，纯金属结晶是一个恒温过程，而合金的结晶常常在某个温度范围内进行。

6.固溶体的主要类型有哪些?影响固溶体的结构形式和溶解度的因素有哪些？

答：按溶质原子在固溶体(溶剂)晶格中的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体；按固溶度可分为有限固溶体和无限固溶体；置换固溶体按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点可分为无序固溶体和有序固溶体。影响固溶体的结构形式和溶解度的因素很多，目前比较公认的有①原子尺寸因素；②晶体结构因素；③电负性因素；④电子浓度因素。

7、试述固溶强化、加工硬化和弥散强化的强化原理，并说明三者的区别。

答：固溶强化是由于溶质原子的溶入，造成了晶格畸变，阻碍了晶体滑移，结果使固溶体的强度和硬度增加。

加工硬化是金属在冷塑性变形时，随着变形量的增加，出现位错的缠结，位错密度增加，造成材料的强度、硬度增加的现象。

弥散硬化是当超细第二相(强化相)大量均匀分布在材料基体中，造成位错运动受阻

而引起的强度、硬度升高的现象。

异同点：三种强化都是利用位错运动受阻来强化合金的。不同的是固溶强化和弥散强化都是利用合金化来强化合金的；而加工硬化而是通过力的作用产生塑性变形，增大位错密度以增大位错运动阻力来强化合金。

8、固溶体和金属化合物在结构和性能上有什么主要区别？

答：固溶体晶体结构同于组成固溶体的溶剂的晶体结构，大多具有强而韧的性能特点；而金属化合物的晶格类型完全不同于组成金属化合物的任一组元的晶体结构，金属化合物一般具有硬而脆的性能特点。

9、机械混合物的构成方式有哪几种？

答：机械混合物是各相按照一定的重量比组成的物质。各相之间在一定的条件下既不溶解，也不化合，保持各自的晶格结构，各相之间是纯机械混合。它们的构成方式常有：固溶体与固溶体的组成，也有固溶体与金属化合物的组成等。

10、合金结晶中可能出现的三种偏析应如何控制并使之尽量减少？

答：1．晶内（枝晶）偏析，该情况取决于浇铸时的冷却速度，偏析元素扩散能力和液固相线的距离等，可以通过退火将偏析消除。

２．区域性偏析：在较大范围内化学成分不均匀的现象，退火无法将该情况消除，这种偏析与浇温、浇速等有关。

３．比重偏析：合金凝固时由于合金中组元比重的不同所引起的偏析。降低比重偏析的方法有，如使合金成分均匀；尽量缩短液态合金的放置时间；加快冷却速度及合理控制铸件的凝固方向等

11、什么是杠杆定律？它有什么用途？

答：组成合金二相的质量比等于这二相成分点到合金成分点距离的反比叫杠杆定律。它能够确定二相区内任一成分的合金在任一温度下处于平衡时各相的质量。

12、合金的性能与相图之间的关系如何？

答：相图表示合金在平衡条件下合金的状态与成分、温度之间的关系图解。它是在十分缓慢的条件下用热分析法测定的。利用相图可以知道不同成分的合金在不同温度、平衡条件下存在哪些相、各相的相对数量、化学成分及条件变化时可能发生的相变，相图是研究合金组织及其变化规律的有效工具。

13、何谓共晶反应、包晶反应和共析反应？试比较这三种反应的异同点？

答：共晶反应是指一定成分的液相在一定温度下，转变为两种成分不同结构不同的固相的反应。

包晶反应是指在一定温度下，一定成分的固相与包围它的成分一定的液相相互作用，形成一个一定成分的固相的反应。

共析反应是指一定成分的固相在一定温度下，转变为两种成分不同结构不同的固相的反应。

异同点：三个反应都是在恒温过程，反应时都必须具备温度和成分条件。不同的是共晶反应是一种液相在恒温下生成两种固相的反应；共析反应是一种固相在恒温下生成两种固相

的反应；而包晶反应是一种液相与一种固相在恒温下生成另一种固相的反应。

14、二元合金相图表达了合金的哪些关系？

答：二元合金相图表达了合金的状态与温度和成分之间的关系。

15、何谓金属的同素异构转变？试画出纯铁的结晶冷却曲线和晶体结构变化图。简述纯铁的性能和用途。

答：金属在结晶之后继续冷却时或由固态加热直至熔化前皆会发生晶体结构的变化，凑够一种晶格转变为另外一种晶格，这种现象称为同素异构转变。纯铁的结晶冷却曲线和晶体结构变化如下：

图略（见教材P27 ，图3.10）。

纯铁较软，具有较好的抗腐蚀性，韧性和延展性较高，硬度和强度较低。纯铁在工业中应用较少，主要用于实验研究。

16、默画出Fe-Fe3C相图，并按组织组成物填写各个相区。

答：

17、何谓一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体和共析渗碳体？它们之间有何异同？其金相形态如何？

答：一次渗碳体：在Fe-Fe3C相图相图中，碳含量大于4.3％时，在L＋Fe3C两相区内结晶析出的初生Fe3C为一次渗碳体，形成温度于共晶温度1148℃以上，形貌呈条状。碳含量于4.3%～6.69%是其典型成分区间。

二次渗碳体：在Fe-Fe3C相图中，碳含量大于0.77％时，在A＋Fe3C两相区内析出的Fe3C 为二次渗碳体，形成温度于共晶温度1148℃与共析温度727℃之间，形貌呈网状。碳含量于