金属学实验讲义 下载本文

《金属学》作业

第二章:金属及合金的晶体结构

一、复习思考题 二、习题 一、复习思考题

1.概念:晶胞、单晶体、多晶体、晶粒、刃型位错、螺型位错、固溶体、金属间化合物 2.空间点阵与晶体点阵有何区别?试举例说明。 3.晶体中的位错属于哪种缺陷?

4.在体心立方晶格中原子密度最大的晶面和晶向分别是什么?在面心立方晶格中原子密度最大的晶面和晶向分别是什么?

5.晶体与非晶体最根本的区别是什么? 6.晶体中的缺陷类型有哪几种?举例说明。

7.已知面心立方晶格的晶格常数为a,试求出(100)、(110)和(111)晶面的面间距,并指出面间距最大的晶面。

8.体心立方晶格的晶格常数为a,试求出(100)、(110)和(111)晶面的面间距,并指出面间距最大的面。

9.在晶体中有一平面环状位错线,请问此位错环能否各部分都是刃型位错?或各部分都是螺型位错?为什么?

10.在一个简单立方的二维晶体中,画出一个正刃型位错和一个负刃型位错,并 (1)用柏氏回路求出正、负刃型位错的柏氏矢量;

(2)若将正、负刃型位错反向时,其柏氏矢量是否也随之反向; (3)具体写出该柏氏矢量的大小和方向; (4)求出此两位错的柏氏矢量和。 二、习题

1.说明间隙固溶体和间隙化合物的异同点。

2.常见的金属化合物有哪几类?它们各有何特点?Mg2Si、ZnS、Fe3C、VC、Cu31Sn8等是哪种类型的化合物? 3.碳可以溶入铁中而形成间隙固溶体,试分析是α-Fe还是γ-Fe能溶入较多的碳,为什么? 4.作图表示出立方晶系的(123)、(112)、(421)、(231)晶面和[210]、[111]、[346]、[110]晶向。

5.试计算体心立方晶格的{100}、{110}、{111}晶面的原子面密度和<100>、<110>、<111>晶向的原子线密度,并指出其中最密面和最密方向。 6.固溶体和化合物在结构、性能方面有什么差异?

7. 常见的金属晶体结构有哪几种?它们的原子排列和晶格常数各有什么特点?α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各属何种晶体结构?

8. 已知α-Fe的晶格常数a=2.87×10-10 m, γ-Fe的晶格常数a= 3.64×10-10 m,试求出α-Fe和γ-Fe的原子半径和致密度。

9. 在立方晶系的一个晶胞中画出(111)和(112)晶面,并写出两晶面交线的晶向指数。

10. 求下列晶面的晶面间距,并指出晶面间距最大的晶面: (1)已知室温下α-Fe的点阵常数为0.286nm,分别求出(100),(110),(123)的晶面间距。

(2)已知916℃时γ-Fe的点阵常数为0.365nm,分别求出(100),(111),(112)的晶面间距。

1

11、纯金属中溶入另一组元后(假设不会产生新相)会带来哪些微观结构上的变化?这些变化如何引起性能上的变化? 三、基本概念

组织,相,位错,刃型位错,螺型位错,金属键,固溶体,金属化合物,晶胞,空间点阵,配位数,晶带,晶格,界面能,表面能

第三章 纯金属的结晶

一、复习思考题

指出下列各题错误之处,并更正

1.在任何温度下,液态金属中出现的最大结构起伏都是晶胚 2.在任何过冷度下,液态金属中出现的最大结构起伏都是晶核。

3.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。

4.在液态金属中,凡是涌现出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。

5.为生产一批厚薄悬殊的砂型铸件,且要求均匀的晶粒度,则只要在工艺上采取加形核剂就可以满足。

6.非均匀成核总是比均匀成核容易,因为前者是以外加质点为结晶核心,不像后者那样形成界面,而引起自由能的增加。

7.在研究某金属细化晶粒工艺时,主要寻找那些熔点低,且与该金属晶格常数相近的形核剂,其形核的催化效能最高。

8.纯金属生长时,无论液/固界面呈粗糙或光滑型,其液相原子都是一个一个地沿着固相面的垂直方向连接上去。

9.无论温度分布如何,常用纯金属生长都是呈树枝状界面。 10.人们是无法观察到极纯金属的树枝状生长过程,所以树枝状的生长形态仅仅是一种推理。 11.纯金属结晶呈垂直方式生长时,其界面时而光滑,时而粗糙,交替生长。

12.从宏观上观察,若液/固界面是平直的称为光滑界面结构,若是呈金属锯齿形的称为粗糙界面结构。

13.实际金属结晶时,形核率随着过冷度的增加而增加,超过某一值后,出现相反的变化。 14.纯金属在结晶时,晶体长大所需要的动态过冷度有时还比形核所需要的临界过冷度大。 二、习题

1.试比较过冷度、动态过冷度及临界过冷度的区别。 2.分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。

3.什么叫临界晶核?它的物理意义及与过冷度的定量关系如何? 4.试分析单晶体形成的基本条件。 5.已知铜的熔点为1083℃,结晶潜热为1.88×109J/m3,液固界面的界面能σ为0.144 J/m2。试计算铜在853℃凝固时(均匀形核)的临界晶核半径?并计算临界晶核中有多少个铜原子?

6.在液态中形成一个半径为r的球形晶核时,证明临界形核功ΔGk与临界晶核体积V间的关系为ΔGk=V/2ΔGv

7.简述纯金属晶体长大的机制及其与固/液界面微观结构的关系。 8.设液体结晶时,形成边长为a的立方体晶核。已知均匀形核的单位固液界面能σ和固液单

**

位体积自由能差ΔGv,推导出临界晶核边长a和临界晶核形成功ΔG。 9. 从能量的角度,分析指出结晶过程的阻力是什么?动力是什么? 10. 简述三晶区形成的原因及每个晶区的性能特点。

2

三、讨 论 题

今欲获得全部为细等轴晶粒的铸件,你知道有哪些方法?并请说出各种方法的基本原理。

第四章 二元合金的结晶及相图

一、复习思考题

指出下列各题错误之处,并更正。

1.固溶体晶粒内的枝晶偏析,由于主轴与枝间的成分不同,所以整个晶粒不是一个相。

2.固溶体合金无论平衡或非平衡结晶过程中,液/固界面上液相成分沿着液相平均成分线变化;固相成分沿着固相平均成分线变化。

3.根据相律计算,在匀晶相图中的两相区内,其自由度为2,即温度与成分都可以独立改变。

4.在共晶线上利用杠杆定律可以计算出共晶体的重量百分数,而共晶线属于三相区,所以杠杆定律不仅适用于两相区,也适用于三相区。

5.任何合金在不平衡结晶时,总是先结晶的固溶体晶轴含高熔点组元较多,而后结晶的固溶体枝间含低熔点组元较多。 6.固溶体核长大的过程,就是液相与固相内出现“平衡——不平衡——平衡——不平衡??”的反复发展过程。

7.当固溶体合金液相快速冷却至液、固两相区内某一温度,并保持一定的时间后,再缓慢冷至室温,仍可以获得平衡状态的组织。

8.固溶体合金圆棒顺序结晶过程中,液/固界面推进的速度越快,则棒中宏观偏析越严重。

9.平均分配系数取决于液相线与固相线的水平距离。因此,合金的成分越靠近匀晶相图的两端,就越小。

10.将固溶体合金棒反复多次“熔化—凝固”,并采用定向快速凝固的方法,可以有效地提纯金属。

11.厚薄不均匀的Ni-Cu合金铸件,结晶后薄处易形成树枝状组织,而厚处易形成胞状组织。

12.亚共晶合金的典型平衡组织为初生相+共晶相。

13.在不平衡结晶条件下,靠近共晶线端点内侧的合金比外侧的合金易于形成离异共晶组织。

14.具有包晶转变的合金,室温的相组成物为α+β,其中β相均是包晶转变产物。

15.具有包晶转变合金的室温组织中,不平衡结晶状态比平衡结晶状态的初生相总是偏多。

16.纯金属和固溶体的铸态组织一样,都具有等轴晶粒。 二、习题

1.试比较共晶转变、包晶转变、共析转变与匀晶转变的异同。

2. 在正温度梯度下,为什么纯金属凝固时不能成树枝状成长,而固溶体合金却能成树枝状成长?

3

3.有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件,其中一个铸件的含镊量WNi=90%,另一个铸件的WNi=50%,铸件自然冷却。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。

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?

三、讨 论 题

1.由于实际操作中金属液体的凝固往往很难保证按平衡凝固进行,那么,对于分别具有匀晶、共晶、包晶相图的非平衡凝固过程是如何进行的?你认为可能会出现哪些缺陷?如何防止或克服这些缺陷?

4