题目

第三章材料的凝固与结晶3-1为什么金属结晶时必须过冷？由热力学第二定律可知：在等温等压条件下，过程自动进行的方向总是向着 系统自由能降低的方向。金属在过冷的条件下，那些处于能量较低状态的原子集团就可能成为自发形 核的晶胚，这是结晶的必要阶段。所以结晶的热力学条件是有一定的过冷度。3-2为什么金属结晶时常以枝晶方式长大？在不平衡凝固过程中，固相中溶质浓度分布不均匀，凝固结束时，晶体中成 分也不均匀，即有成分偏析现象。而当成分过冷很大时，固溶体晶体以树枝状生 长时，先结晶的枝晶主干溶质浓度低，枝晶外围部分溶质浓度高，形成树枝状偏 析。3-3常用的管路焊锡为成分w（Pb=50%）、w（Sn=50%）的Pb-Sn合金。若该合金 以及慢速度冷却至室温，求合金显微组织中相组成物和组织组成物的相对量。D-|||-不-|||-300 L-|||-250 xsn-|||-a l+α-|||-200 https:/img.zuoyebang.cc/zyb_81bfd6a91bd75aacb3e1a9f581e727ef.jpg+beta -|||-F1 D-|||-150 , ,-|||-100 α+β ,-|||-1-|||-50 19.2 61.9 97.5 G-|||-F-|||-JL-|||-0 20 40 60 80 100%-|||-100% ut Sn图3-1Pb-Sn合金相图图3-2 w（Pb=50%）Pb-Sn合金室温组织由相图（图3-1）可知，成分为w（Pb=50%）^w（Sn=50%）的Pb-Sn合金（亚 共晶合金）以慢速度冷却至室温时发生的结晶过程为：先进行匀晶转变（厶—a）,匀 晶转变剩余的液相再进行共晶转变。极慢冷却至室温后形成的组织为先共晶固溶 体a和共晶组织（a+Q。由于a固溶体的溶解度随温度变化较大，所以先共晶固 溶体a中有点状011析出（图3-2）。相组成：先共晶a相的相对量为：1- （50-19.2）/（61.9-19.2）=72.13%共晶组织中的a相占全部合金的相对量：45.5%*72.13%=32.82%共晶组织中的0相相对量为1-32.82%=67.18%3-4请根据图3.44分析解答下列问题：（1）分析合金1、2的平衡结晶过程，并会出冷却曲线；（2）说明室温下1、2的相和组织是什么，并计算相和组织的相对含量；（3）如果希望得到的组织为：共晶组织和5%的B初，求该合金的成分。 解（1） （2）：合金的冷却曲线如图3-3所示。AD-|||-不-|||-300 L-|||-250 xsn-|||-a l+α-|||-200 https:/img.zuoyebang.cc/zyb_0590b4839a61c89515aaf3042fad6cd5.jpg+beta -|||-F1 D-|||-150 , ,-|||-100 α+β ,-|||-1-|||-50 19.2 61.9 97.5 G-|||-F-|||-JL-|||-0 20 40 60 80 100%-|||-100% ut Sn图3-3合金I的冷却曲线其结晶过程为：1以上，合金处于液相；1〜2时，L-ot, L和ot的成分分别沿液相线和固相线变化，到达2时，全部凝固 完毕；2时，为单相a；2〜3时，a—011。a—0室温下，I合金由两个相组成，即a和0相，其相对量为Ma=(0.90-0.20)/(0.90-0.05)*100%=82%Mp=l-Ma=18%I合金的组织为a+Bii,其相对量与组成物相同。II合金的冷却曲线如图3-4所示。I I ▲D-|||-不-|||-300 L-|||-250 xsn-|||-a l+α-|||-200 https:/img.zuoyebang.cc/zyb_e43f0063352eeabca23b4384712e5b72.jpg+beta -|||-F1 D-|||-150 , ,-|||-100 α+β ,-|||-1-|||-50 19.2 61.9 97.5 G-|||-F-|||-JL-|||-0 20 40 60 80 100%-|||-100% ut Sn图3-4合金II的冷却曲线其结晶过程如下：1以上，合金处于均匀的液相；1〜2时，进行匀晶转变L—B初；2时,两相平衡共存，LO.5O==Po.9O；2〜2,时，剩余液相发生共晶反应：L0.50==«0.20+P0.902〜3时，发生脱溶转变，a^pn室温下，II合金由两个相组成，即a相和0相，其相对量为：Ma=(0.90-0.80)/(0,90-0.05)*100%= 12%Mp=l-Ma=88%II合金的组织为：0初+(a+p)咔；组织组成物的相对量为：mpfu=(0.80-0.50)/(0.90-0.50)*100%=75%m(a+pm=l-nip初=25%解⑶:设合金的成分为Wb=x,由题意知：mpto=(x-0.50)/(0.90-0.50)*100%=5%所以x=0.52,即该合金成分为wb=0.52.3-5画出相图，标出相区及各主要点的成分和温度，并回答下列问题:(1)45、60、T12钢的室温平衡组织分别是什么?它们从高温也太平衡冷却到室 温要经过哪些转变？45钢室温平衡组织：铁素体a+珠光体P冷却过程：匀晶转变L0.45—L0.53+6,包晶转变L0.53+ 6—丫0.45,同素 异晶转变y0.45ta+y0.77,共析转变y0.77 t (a +Fe3C)。60钢室温平衡组织：铁素体a+珠光体P冷却过程：匀晶转变L0.60—L0.53+6,包晶转变L0.53+ 6—丫0.60,同素 异晶转变y0.60ta+y0.77,共析转变 丫0.77t (a +Fe3C)。T12钢室温平衡组织：珠光体P+渗碳体FesC冷却过程：过共析钢在液态到室温的冷却过程中，首先进行匀晶转变，形 成单相固溶体*当温度到达ES线以下时，过饱和的固溶体卩 中析出渗碳体(二次渗碳体Fe3CII),奥氏体y的成分变到共 析点S(0.77%C)；共析转变y0.77 — (a+Fe3C),形成珠光体P。(2)画出纯铁45钢T12钢的室温平衡组织，并标注其中的组织。图3-345钢的室温平衡组织(铁素体a+珠光体P)图3-4 T12钢的室温平衡组织（珠光体P+渗碳体FesC）（3）计算室温下45钢T12钢的平衡组织中相组成和组织组成物的相对量。应用杠杆定律计算45钢中铁素体«和珠光体P的相对量，选择a +y二相区，共析温度727£。________0.77-0.0218T12钢的Qa=（2.11-1.2）/（2.11-0.0218）=33.9%Qp=1-33.9%=66.1%（4）计算鉄碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大的相对量。WFe3CnK2.14-0.8）/（6.69-0.8）*100%=23%W Fe3Ciii=0.02/6.69*100%=33%二次渗碳体的最大百分含量为22.6%,三次渗碳体的最大百分含量为0.33%（5）应用相图解释下列现象：1钢柳丁一般用低碳钢合成；钢柳丁一般要求具有良好的塑性和韧性，所以钢柳丁一般要求用低碳钢合成。2绑扎物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物时却用钢丝绳（60钢65钢70刚等组成）;亚共析钢（碳的质量分数在0.0218%〜0.77%）室温下的组织为铁素体加珠 光体，低碳钢丝（碳的质量分数在0.0218%〜0.25%）组织中铁素体的比例大， 所以低碳钢丝塑性、韧性好，绑扎物件时，易于操作；而60钢、65钢、70钢等 组织中珠光体的量多，所以强度，适于作起重机吊重物用的钢丝绳。3T8钢的强度高于T12钢的强度。强度〉T12钢，因为强度是一个组织敏感量，当含碳量超过0.9%以后，二 次渗碳体呈网状分布，将珠光体分割开，因此强度下降。3-6现有两种鉄碳合金，其中一种合金的显微组织中珠光体量占75%,铁素体量 占25%；另一种合金的显微，组织中珠光体量占92%,二次渗碳体量占8%,这两种合金各属于哪一类合金？其含碳量各为多少？答：第一种是亚共析钢，含碳量为0.0218%到0.77%之间，后面一种是过共 析钢碳含量为0.77%到2.11%。3-7现有形状尺寸完全相同的4块平衡状态的鉄碳合金，他们的含碳量分别为w(C)=0.2%、w(C)=0.4%、w(C)=1.2%、w(C)=3.5%。根据你所学的知识，可 用那些办法来区别他们？答：第一种：根据金相实验铁碳相图来区别它们：含碳量分别为w(C)=0.2%的鉄碳合金金相中全部是单相的a相。而含碳量分别为w(C)=0.4%的鉄碳合金金 相由a相和珠光体(P)相组成；而含碳量分别为w(C)=1.2%的鉄碳合金金相由 珠光体(P)相和二次渗碳体组成；而含碳量分别为w(C)=3.5%的鉄碳合金金相 主要由变态莱氏体(Ld，)相和一次渗碳体相组成。第二种：随着含碳量的增加，铁碳合金的硬度随之增加，分别测试其硬度， 按照其硬度大小可得其含碳量的大小。3-8简述晶粒大小对金属力学性能的影响，并列举几种实际生产中细化铸造晶粒 的方法。晶粒大小对金属力学性能和工艺性能有很大影响。在一般情况下，晶粒 愈细小，金属的强度、塑性、韧性及抗疲劳能力愈好，所以，细化晶粒是强 化金属材料的最重要途径之一。为了细化铸件晶粒以改善其性能，常采用以 下方法：增加过冷度；进行变质处理(孕育处理)；振动和搅拌。3-9说明金属实际凝固时，铸锭的3种宏观组织的形成机制。金属铸锭凝固时，由于表面和中心的结晶条件不同，其结构是不均匀的，整 个体积中明显的分为三种晶粒状态区域：细等轴晶区、柱状晶区和粗等轴晶区。Cl）液体金属注入锭模时，由于锭模溫度不高，传热快，外层金属受到激冷， 过冷度大，生成大量的晶核。同时模壁也能起非自发晶核作用。结果，在金属的 表层形成一层厚度不大、晶粒很细的细晶区。（2）细晶区形成的同时，锭模温度 升高，液体金属的冷却速度降低，过冷度减小，生核速率降低，但此时长大的速 度受到的影响较小，结晶过程进行的方式主要是，优先长大方向与散热最快方向 的反方向一致的晶核向液体内部平行长大，结果形成柱状晶区。（3）随着柱状晶 区的发展，液体金属的冷却速度很快降低，过冷度大大减小，温度差不断降低， 趋于均匀化，散热逐渐失去方向性，所以在某个时候，剩余液体中被推来的杂质 及从柱状晶上被冲下来的晶枝碎块，可能成为晶核，向各个方向均匀长大，最后 形成粗大的等轴晶区。

第三章材料的凝固与结晶

3-1为什么金属结晶时必须过冷？

由热力学第二定律可知：在等温等压条件下，过程自动进行的方向总是向着 系统自由能降低的方向。

金属在过冷的条件下，那些处于能量较低状态的原子集团就可能成为自发形 核的晶胚，这是结晶的必要阶段。所以结晶的热力学条件是有一定的过冷度。

3-2为什么金属结晶时常以枝晶方式长大？

在不平衡凝固过程中，固相中溶质浓度分布不均匀，凝固结束时，晶体中成 分也不均匀，即有成分偏析现象。而当成分过冷很大时，固溶体晶体以树枝状生 长时，先结晶的枝晶主干溶质浓度低，枝晶外围部分溶质浓度高，形成树枝状偏 析。

3-3常用的管路焊锡为成分w（Pb=50%）、w（Sn=50%）的Pb-Sn合金。若该合金 以及慢速度冷却至室温，求合金显微组织中相组成物和组织组成物的相对量。

图3-1Pb-Sn合金相图图3-2 w（Pb=50%）Pb-Sn合金室温组织

由相图（图3-1）可知，成分为w（Pb=50%）^w（Sn=50%）的Pb-Sn合金（亚 共晶合金）以慢速度冷却至室温时发生的结晶过程为：先进行匀晶转变（厶—a）,匀 晶转变剩余的液相再进行共晶转变。极慢冷却至室温后形成的组织为先共晶固溶 体a和共晶组织（a+Q。由于a固溶体的溶解度随温度变化较大，所以先共晶固 溶体a中有点状011析出（图3-2）。

相组成：先共晶a相的相对量为：1- （50-19.2）/（61.9-19.2）=72.13%

共晶组织中的a相占全部合金的相对量：45.5%*72.13%=32.82%

共晶组织中的0相相对量为1-32.82%=67.18%3-4请根据图3.44分析解答下列问题：

（1）分析合金1、2的平衡结晶过程，并会出冷却曲线；

（2）说明室温下1、2的相和组织是什么，并计算相和组织的相对含量；

（3）如果希望得到的组织为：共晶组织和5%的B初，求该合金的成分。 解（1） （2）：

合金的冷却曲线如图3-3所示。

A

图3-3合金I的冷却曲线

其结晶过程为：

1以上，合金处于液相；

1〜2时，L-ot, L和ot的成分分别沿液相线和固相线变化，到达2时，全部凝固 完毕；

2时，为单相a；

2〜3时，a—011。a—0室温下，I合金由两个相组成，即a和0相，其相对量为

Ma=(0.90-0.20)/(0.90-0.05)*100%=82%

Mp=l-Ma=18%

I合金的组织为a+Bii,其相对量与组成物相同。

II合金的冷却曲线如图3-4所示。

I I ▲

图3-4合金II的冷却曲线

其结晶过程如下：

1以上，合金处于均匀的液相；

1〜2时，进行匀晶转变L—B初；

2时,两相平衡共存，LO.5O==Po.9O；

2〜2,时，剩余液相发生共晶反应：

L0.50==«0.20+P0.90

2〜3时，发生脱溶转变，a^pn

室温下，II合金由两个相组成，即a相和0相，其相对量为：

Ma=(0.90-0.80)/(0,90-0.05)*100%= 12%

Mp=l-Ma=88%

II合金的组织为：0初+(a+p)咔；组织组成物的相对量为：

mpfu=(0.80-0.50)/(0.90-0.50)*100%=75%

m(a+pm=l-nip初=25%

解⑶:

设合金的成分为Wb=x,由题意知：

mpto=(x-0.50)/(0.90-0.50)*100%=5%

所以x=0.52,即该合金成分为wb=0.52.

3-5画出相图，标出相区及各主要点的成分和温度，并回答下列问题:

(1)45、60、T12钢的室温平衡组织分别是什么?它们从高温也太平衡冷却到室 温要经过哪些转变？

45钢

室温平衡组织：铁素体a+珠光体P

冷却过程：匀晶转变L0.45—L0.53+6,包晶转变L0.53+ 6—丫0.45,同素 异晶转变y0.45ta+y0.77,共析转变y0.77 t (a +Fe3C)。

60钢

室温平衡组织：铁素体a+珠光体P

冷却过程：匀晶转变L0.60—L0.53+6,包晶转变L0.53+ 6—丫0.60,同素 异晶转变y0.60ta+y0.77,共析转变 丫0.77t (a +Fe3C)。

T12钢

室温平衡组织：珠光体P+渗碳体FesC

冷却过程：过共析钢在液态到室温的冷却过程中，首先进行匀晶转变，形 成单相固溶体*当温度到达ES线以下时，过饱和的固溶体卩 中析出渗碳体(二次渗碳体Fe3CII),奥氏体y的成分变到共 析点S(0.77%C)；共析转变y0.77 — (a+Fe3C),形成珠光体P。

(2)画出纯铁45钢T12钢的室温平衡组织，并标注其中的组织。

图3-345钢的室温平衡组织(铁素体a+珠光体P)

图3-4 T12钢的室温平衡组织（珠光体P+渗碳体FesC）

（3）计算室温下45钢T12钢的平衡组织中相组成和组织组成物的相对量。

应用杠杆定律计算45钢中铁素体«和珠光体P的相对量，选择a +y二相

区，共析温度727£。

________

0.77-0.0218

T12钢的Qa=（2.11-1.2）/（2.11-0.0218）=33.9%

Qp=1-33.9%=66.1%

（4）计算鉄碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大的相对量。

WFe3CnK2.14-0.8）/（6.69-0.8）*100%=23%

W Fe3Ciii=0.02/6.69*100%=33%

二次渗碳体的最大百分含量为22.6%,三次渗碳体的最大百分含量为0.33%

（5）应用相图解释下列现象：

1钢柳丁一般用低碳钢合成；

钢柳丁一般要求具有良好的塑性和韧性，所以钢柳丁一般要求用低碳钢合成。

2绑扎物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物时却用钢丝绳（60钢65钢70刚等组成）;

亚共析钢（碳的质量分数在0.0218%〜0.77%）室温下的组织为铁素体加珠 光体，低碳钢丝（碳的质量分数在0.0218%〜0.25%）组织中铁素体的比例大， 所以低碳钢丝塑性、韧性好，绑扎物件时，易于操作；而60钢、65钢、70钢等 组织中珠光体的量多，所以强度，适于作起重机吊重物用的钢丝绳。

3T8钢的强度高于T12钢的强度。

强度〉T12钢，因为强度是一个组织敏感量，当含碳量超过0.9%以后，二 次渗碳体呈网状分布，将珠光体分割开，因此强度下降。

3-6现有两种鉄碳合金，其中一种合金的显微组织中珠光体量占75%,铁素体量 占25%；另一种合金的显微，组织中珠光体量占92%,二次渗碳体量占8%,这两种合金各属于哪一类合金？其含碳量各为多少？

答：第一种是亚共析钢，含碳量为0.0218%到0.77%之间，后面一种是过共 析钢碳含量为0.77%到2.11%。

3-7现有形状尺寸完全相同的4块平衡状态的鉄碳合金，他们的含碳量分别为w(C)=0.2%、w(C)=0.4%、w(C)=1.2%、w(C)=3.5%。根据你所学的知识，可 用那些办法来区别他们？

答：第一种：根据金相实验铁碳相图来区别它们：含碳量分别为w(C)=0.2%的鉄碳合金金相中全部是单相的a相。而含碳量分别为w(C)=0.4%的鉄碳合金金 相由a相和珠光体(P)相组成；而含碳量分别为w(C)=1.2%的鉄碳合金金相由 珠光体(P)相和二次渗碳体组成；而含碳量分别为w(C)=3.5%的鉄碳合金金相 主要由变态莱氏体(Ld，)相和一次渗碳体相组成。

第二种：随着含碳量的增加，铁碳合金的硬度随之增加，分别测试其硬度， 按照其硬度大小可得其含碳量的大小。

3-8简述晶粒大小对金属力学性能的影响，并列举几种实际生产中细化铸造晶粒 的方法。

晶粒大小对金属力学性能和工艺性能有很大影响。在一般情况下，晶粒 愈细小，金属的强度、塑性、韧性及抗疲劳能力愈好，所以，细化晶粒是强 化金属材料的最重要途径之一。为了细化铸件晶粒以改善其性能，常采用以 下方法：增加过冷度；进行变质处理(孕育处理)；振动和搅拌。

3-9说明金属实际凝固时，铸锭的3种宏观组织的形成机制。

金属铸锭凝固时，由于表面和中心的结晶条件不同，其结构是不均匀的，整 个体积中明显的分为三种晶粒状态区域：细等轴晶区、柱状晶区和粗等轴晶区。

Cl）液体金属注入锭模时，由于锭模溫度不高，传热快，外层金属受到激冷， 过冷度大，生成大量的晶核。同时模壁也能起非自发晶核作用。结果，在金属的 表层形成一层厚度不大、晶粒很细的细晶区。（2）细晶区形成的同时，锭模温度 升高，液体金属的冷却速度降低，过冷度减小，生核速率降低，但此时长大的速 度受到的影响较小，结晶过程进行的方式主要是，优先长大方向与散热最快方向 的反方向一致的晶核向液体内部平行长大，结果形成柱状晶区。（3）随着柱状晶 区的发展，液体金属的冷却速度很快降低，过冷度大大减小，温度差不断降低， 趋于均匀化，散热逐渐失去方向性，所以在某个时候，剩余液体中被推来的杂质 及从柱状晶上被冲下来的晶枝碎块，可能成为晶核，向各个方向均匀长大，最后 形成粗大的等轴晶区。

题目解答

答案

0.45 — 0.0218