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→α+β______, __ L+α→β____, ______ L1—L2+α________, ___________γ→α+ L _______。
10 共析,偏析,包析反应式分别为______γ→α+β________,______ α1—α2+β ________,_______α+β→γ______。
11 固溶体合金凝固时,溶质分布的有效分配系数k 0=__ C s /C l __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,L 1→α+L 2叫___偏晶___反应,β→L+α称为___熔晶__转变,而反应α1—α2+β称为____偏析___反应,α+β→γ称为___包析___反应。
19 Fe-Fe 3C 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+Fe3C II ____,亚共晶白口铸铁的平衡组织是_______ Ld _____,莱氏体的相组成物是____ A+ Fe 3C ______,变态莱氏体的组织组成物是___ P+Fe3C +Fe3C II ___ ,Fe 3C I 是从_________液相_______中析出的,Fe 3C II 是从_______A__________中析出的,Fe 3C III 是从____________F________中析出的,它们的含碳量为________ 6.69 __________,Fe 3C 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 βB β+αIIC β+未转变的α2 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______。
图1 图2A 合金1B 合金2C 合金33 有枝晶偏析的铜镍合金,___B_____A 枝干富Cu,枝间富NiB 枝干富Ni,枝间富CuC 枝干和枝间都富Cu9 室温下含0.3%C的钢平衡条件下,组织组成物为_____A______。
A F+PB F+Fe3C C (Fe3C)II+P10 铁碳合金中的Fe3C II是从__B__中析出来的。
A 液相B 奥氏体C铁素体 D 珠光体11 Fe3C II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α相和β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727L d′=P+Fe3C(Fe3C+ Fe3C II)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.Fe3C II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。
Fe3C II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。
1.2%0.4% (4)根据Fe-Fe 3C 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)4根据Fe-Fe 3C 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:共析温度下相的相对重量百分比为 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%1005%1005⨯=⨯=PS S W PS P W P α,%1005%,10053⨯=⨯=PK K W PK P W C Fe α。