金属学及热处理(江苏科技大学) 中国大学MOOC答案2024版100分完整版

1、  1． 纯金属结晶时固/液界面可分为                 和                   两种
评分规则:   粗糙界面 、光滑界面

2、 晶粒长大的机制有              、                和             三种，其中             机制长大速度最快，             机制长大速度最慢
评分规则:   二维晶核长大、晶体缺陷（螺旋位错）长大、垂直（连续）长大、垂直（连续）长大、二维晶核长大

3、  3．纯金属冷却曲线有一个平台，表示纯金属的结晶是在          温下进行的，产生的原因是                     
评分规则:    恒温、结晶潜热的释放

4、 金属结晶的微观过程是             和            
评分规则:  形核 、长大

5、 液态金属结晶时，形核的方式有           和             两种
评分规则:  均匀形核、非均匀形核

6、 纯金属铸锭的宏观组织通常是由            、              和            三个晶区组成
评分规则:  表面细晶区、中间柱状晶、中心等轴晶

7、 为什么金属结晶时一定要有过冷度?影响过冷度的因素是什么?过冷度为什么有一个临界值
评分规则:  答：存在过冷度的原因：①由热力学第二定律得，在等温等压条件下，- -切自发过程都朝着使系统自由能降低的方向进行②液态金属要结晶，其结晶温度一定要低于理论结晶温度Tm,此时的固态金属自由能低于液态金属的自由能，两相自由能之差构成了金属结晶的驱动力③要获得结晶过程所必须的驱动力，一定要使实际结晶温度低于理论结晶温度，这样才满足热力学条件④过冷度越大，液、固两相之间的自由能差值越大，即相变驱动力越大，结晶速度越快，所以金属结晶必须要有过冷度
  影响过冷度的因素①   金属的本性和金属的纯度   金属不同，过冷度大小也不同； 金属纯度越高，过冷度越大②   冷却速度冷却速度越大，过冷度越大
存在过冷度临界值的原因       最大晶胚尺寸rmax与临界晶核半径rk随过冷度的变化如图所示交点为临界过冷度△Tk,只有过冷度大于△Tk，晶胚半径大于rk，在此时液态金属的结晶过程才能进行

8、 试比较均匀形核与非均匀形核的异同点，说明非均匀形核比均匀形核容易的原因
评分规则:  ①相同点       它们具有相同的临界晶核半径②不同点非均匀形核的临界形核功小于等于均匀形核的临界形核功，即非均匀形核的过冷度小于等于均匀形核的过冷度
非均匀形核往往比均匀形核容易的原因:均匀形核指液态金属绝对纯净，无任何杂质，也不和型壁接触，只是依靠液态金属的能量变化，由晶胚直接形核的过程在实际液态金属中，总是或多或少地含有某些杂质，晶胚常依附于这些固态杂质质点上优先形核，即非均匀形核，所需形核功小于均匀形核，更容易进行

9、 说明纯金属结晶晶体成长形状与温度梯度的关系，并说明通常金属结晶的生长方式
评分规则:  ①  生长形态为平面状，界面与熔点Tm等温面平行由于界面处的液体具有最大的过冷度，当界面上偶尔发生晶体凸起，就会伸入温度较高的液体中，晶体生长速度立即减慢甚至停止，周围的部分就会赶上来，使凸起消失因此固-液界面保持为稳定的平面状
②在负的温度梯度下，由于界面前方的液体具有更大的过冷度，因此，当界面某处固相偶然伸入液相，便能够以更大的速率生长伸入液相的晶体形成一个晶轴，称为一次晶轴由于一次晶轴生长时也会放出结晶潜热，其侧面周围的液相中又产生负的温度梯度这样，一次晶轴上又会产生二次晶轴同理，二次晶轴上也会长出三次晶轴由于这样生长的结果很像树枝，所以被称为树枝状生长晶体以树枝状生长时，晶体树枝逐渐变粗，树枝间的液体最后全部转变为固体，使每个枝晶成为一个晶粒 树枝状生长在光滑界面往往不明显一般金属结晶时，均以树枝状生长方式长大

10、 根据凝固理论，工业生产中细化晶粒的方法有哪些？
评分规则:  ①控制过冷度 形核率和长大速度都与过冷度有关，过冷度增!加，形核率和长大速度均随之增加，但两者的增加速率不同，形核率的增长率大于长大速度的增长率，在过冷度范围内，过冷度越大，则比值N/G越大，晶粒越细小在一般金属结晶时的过冷度范围内，过冷度越大，晶粒越细小
②变质处理 在浇注前往液态金属中加入形核剂，促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒
③振动、搅动 对即将凝固的金属进行振动或搅动，一方面是依靠从外面输入能量促使晶核提前形成，另-方面使成长中的枝晶破碎，使晶核数目增加

第三章 二元合金相图和合金的凝固 第三单元测验

1、 一定温度下由一定成分的固相同时生成两个成分固定的固相过程,称为                             

A:共晶反应
B:共析反应
C:包晶反应
D:匀晶反应
答案: 共析反应

2、 共析成分的合金在共析反应γ→α+β刚结束时，其组成相为                             

A:γ+α+β
B:α+β
C:(α+β)
D:α+β+(α+β)
答案: α+β

3、 二元合金中，共晶成分的合金                             

A:铸造性能好
B:锻造性能好
C:焊接性能好
D:切削性能好
答案: 铸造性能好

4、 二元合金相图的坐标系为             

A:压力—温度
B:压力—成分；
C:温度—成分
D:     温度-组织
答案: 温度—成分

5、 与固溶体相比，金属化合物的性能特点是             

A:硬度高，塑性好
B:熔点高、塑性低
C:熔点高、硬度高
D:熔点高、硬度低
答案: 熔点高、硬度高

6、 固溶体合金在形核时，需要                              

A:成分起伏
B:结构起伏
C:成分过冷
D:能量起伏
答案: 成分起伏;
结构起伏;
成分过冷;
能量起伏

7、 纯铁发生同素异构转变时必然伴随着体积和尺寸的变化                             

A:正确
B:错误
答案: 正确

8、 二元合金在结晶过程中析出的初生相和次生相具有不同的晶型和组织形态                             

A:正确
B:错误
答案: 错误

9、 根据相律计算，在匀晶相图中的两相区内，其自由度为2，即温度与成分这两个变量都可以独立改变               

A:正确
B:错误
答案: 错误

10、 某一二元合金的室温组织为α+β1+(α+β)，表明该合金由三相组成                             

A:正确
B:错误
答案: 错误

作业第三章 二元合金相图和合金的凝固 第三单元作业

1、 什么是异分结晶？什么是分配系数？说明如何利用区域熔炼方法提纯金属，提纯效果与什么因素有关？
评分规则:  分配系数:在一定温度下，固液量平衡相中溶质浓度之比值，即k_=Ca /CL
区域熔炼:将圆棒分小段进行熔炼和凝固，使金属棒从一段向另一端顺序地进行局部熔化，凝固过程也随之顺序地进行，使得先结晶的晶体将溶质(杂质)排入熔化部分的液体中如此当融化区走过一遍之后，圆棒的杂质就富集于另一端，重复多次，即可达到提纯的目的
影响提纯效果因素:①熔化区长度越短，提纯效果越好，反之越差:②k越小，提纯效果越好:③搅拌越剧烈,液体的成分越均匀，提纯效果越好

2、 在正温度梯度下，为什么的金属凝固时不能呈树技状成长，而固溶体合金却能呈树技状成长?
评分规则:  答：在正温度梯度下，由于界面处的液体具有最大的过冷度，当界面上偶尔发生晶体凸起，就会伸入温度较高的液体中，晶体生长速度立即减慢甚至停止，周围的部分就会赶上来，使凸起消失因此固-液界面保持为稳定的平面状，而不能形成树枝状
固溶体合金在正温度梯度下凝固时，固液界面能呈树枝状生长的原因是固溶体合金在凝固时，由于异分结晶现象，溶质组元必然会重新分布，导致在固液界面前沿形成溶质的浓度梯度，造成固液界面前沿一定范围内的液相其实际温度低于平衡结晶温度，出现了一个由于成分差别引起的过冷区域所以，对于固溶体合金，结晶除了受固液界面温度梯度影响，更主要受成分过冷的影响，当过冷度达到图中的G3，固溶体就会以树枝状长大

3、 有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件WNi=90%，另一个铸件的WNi=50%，铸后自然冷却，问凝固后哪一个铸件的偏析严重?为什么?找出消除偏析的措施
评分规则:  含镍50%的偏析比较严重
原因是: 固溶体合金结晶属于异分结晶，即所结晶出的固相化学成分与母相并不相同由Cu-Ni合金相图可以看出WNi=50%铸件的固相线和液相线之间的距离大于WNi=90%铸件，也就是说WNi=50%铸件溶质Ni的k0（溶质平衡分配系数）高，而且在相图中可以发现Cu-Ni合金铸件Ni的k0是大于1，所以k0越大，则代表先结晶出的固相成分与液相成分的差值越大，即偏析越严重
消除措施：可以采用均匀化退火的方法，将铸件加热至低于固相线100-200℃的温度，进行长时间保温，使偏析元素充分扩散，可达到成分均匀化的目的

4、 5 铋(熔点为271.5℃)和锑(熔点为630.79℃) 在液态和固态时均能彼此无限互溶，WBi= 50%的合金在520℃时开始凝固出成分为WSb =87%的固相WBi =80%的合金在400℃时开始凝固出成分为WSb=64%的固相根据上述条件，要求:      1)  绘出Bi-Sb相图，并标出各线和各相区的名称2）从相图上确定” WSb = =40%合金的开始结晶和结晶终了温度，并求出它在400℃时的平衡相成分及其含量
评分规则:  答：1）铋和锑 在液态和固态时均能彼此无限互溶说明Bi-Sb二相相图是匀晶相图，根据所给条件，绘出Bi-Sb相图，如下图所示
2）WSb = =40%合金开始结晶温度为t1,结晶终了温度为t2，（图中的绿线对应的温度 ）在400℃时的平衡相成分为L相与α相，及其含量为：

5、 6 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)共晶体组成WB=50%的合金在500℃结晶完毕后，则由40%的先共晶相α与60%的(α+β)共晶体组成，而此合金中的a相总量为50%
评分规则:  根据所给条件，可知在500℃发生了共晶反应，结合A和B组员的熔点，绘制相图的简略图如下图：并设C点(B在A中的最大固溶度)的成分为x1,D点（共晶点）的成分为x2，并设E点(B的A中的最大固溶度)的成分为x3

6、 7组元A的熔点为1000℃，组元B的熔点为700℃,在800C℃时存在包晶反应:α (WB=5%) +L (WB=50%)=β (WB=30%);在600C℃时存在共晶反应: L(WB=80%)=β( WB=60%)+γ( WB=95%);在400℃时发生共析反应; β (WB=50%)=α(WB=2%)+γ(WB=97%)，根据这些数据画出相图
评分规则: