合金铸造过程偏析分析.docx

1．解释下列名词：合金，组元，相，相图；固溶体，金属间化合物，机械混合 物；枝晶偏析，比重偏析；固溶强化，弥散强化答：合金：通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素 结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金 组元：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元相：在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组 成部分，均称之为相相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图 固溶体：合金的组元之间以不同的比例混合，混合后形成的固相的晶格结构与组 成合金的某一组元的相同，这种相称为固溶体金属间化合物：合金的组元间发生相互作用形成的一种具有金属性质的新相，称 为金属间化合物它的晶体结构不同于任一组元，用分子式来表示其组成 机械混合物：合金的组织由不同的相以不同的比例机械的混合在一起，称机械混 合物枝晶偏析：实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分，使得先结晶出来的 固溶体合金含高熔点组元较多，后结晶含低熔点组元较 多，这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析比重偏析：比重偏析是由组成相与溶液之间的密度差别所引起的如果先共晶相 与溶液之间的密度差别较大，则在缓慢冷却条件下凝固时，先共晶相便会在液体 中上浮或下沉，从而导致结晶后铸件上下部分的化学成分不一致，产生比重偏析。

固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象 称为固溶强化弥散强化：合金中以固溶体为主再有适量的金属间化合物弥散分布，会提高合金 的强度、硬度及耐磨性，这种强化方式为弥散强化2．指出下列名词的主要区别：1）置换固溶体与间隙固溶体； 答：置换固溶体：溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而组成的固溶体称 置换固溶体间隙固溶体：溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体2）相组成物与组织组成物； 相组成物：合金的基本组成相组织组成物：合金显微组织中的独立组成部分3. 下列元素在a -fe中形成哪几种固溶体？ si、c、n、cr、mn 答：si、cr、mn形成置换固溶体；c、n形成间隙固溶体4. 试述固溶强化、加工强化和弥散强化的强化原理,并说明三者的区别. 答：固溶强化：溶质原子溶入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而位错运 动时受到阻力增大弥散强化：金属化合物本身有很高的硬度，因此合金中以固溶体为基体再有适量 的金属间化合物均匀细小弥散分布时，会提高合金的强度、硬度及耐磨性这种 用金属间化合物来强化合金的方式为弥散强化加工强化：通过产生塑性变形来增大位错密度，从而增大位错运动阻力，引起塑 性变形抗力的增加，提高合金的强度和硬度。

区别：固溶强化和弥散强化都是利用合金的组成相来强化合金，固溶强化是通过 产生晶格畸变，使位错运动阻力增大来强化合金；弥散强化是利用金属化合物本 身的高强度和硬度来强化合金；而加工强化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；三者相比，通过固溶强化得到的强度、 硬度最低，但塑性、韧性最好，加工强化得到的强度、硬度最高，但塑韧性最差， 弥散强化介于两者之间5．固溶体和金属间化合物在结构和性能上有什么主要差别？ 答：在结构上：固溶体的晶体结构与溶剂的结构相同，而金属间化合物的晶体结 构不同于组成它的任一组元，它是以分子式来表示其组成在性能上：形成固溶体和金属间化合物都能强化合金，但固溶体的强度、硬度 比金属间化合物低，塑性、韧性比金属间化合物好，也就是固溶体有更好的综合 机械性能6. 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：指一定成分的液体合金，在一定温度下，同时结晶出成分和晶格 均不相同的两种晶体的反应包晶反应：指一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另外一种固相的反 应过程 共析反应：由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具 有一定晶体结构的固相的反应。

共同点：反应都是在恒温下发生，反应物和产物都是具有特定成分的相，都处于 三相平衡状态 不同点：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； 7．二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 8．在二元合金相图中应用杠杆定律可以计算什么？ 答：应用杠杆定律可以计算合金相互平衡两相的成分和相对含量9.已知a （熔点600°C ）与b（500°C）在液态无限互溶；在固态300°C时a溶于 b的最大溶解度为30%，室温时为10%，但b不溶于a；在300C时，含40% b 的液态合金发生共晶反应现要求：1 ）作出 a-b 合金相图；2）分析 20% a,45%a,80%a 等合金的结晶过程，并确定室温下的组织组成物和相 组成物的相对量答：（1）（2）20%a 合金如图①：合金在1点以上全部为液相，当冷至1点时，开始从液相中析出a固溶体， 至2点结束，2〜3点之间合金全部由a固溶体所组成，但当合金冷到3点以下， 由于固溶体a的浓度超过了它的溶解度限度，于是从固溶体a中析出二次相a， 因此最终显微组织：a +aii相组成物: a +aa=（90-80/90）*100%=11% a =1-a%=89%45%a 合金如图②：合金在1点以上全部为液相，冷至1点时开始从液相中析出a固溶体，此时液相 线成分沿线be变化，固相线成分沿bd线变化，当冷至2点时，液相线成分到达 e点，发生共晶反应，形成（a+a ）共晶体，合金自2点冷至室温过程中，自中 析出二次相aii，因而合金②室温组织：aii+a +（a+a ） 相组成物:a+a组织： ai =（70-55） /70*100%=21% a =1- ai =79% a+a =（70-55） /（70-40） *100%=50%相： a=（90-55） /90*100%=50% a =1-a%=50% 80%a 合金如图③：合金在1点以上全部为液相，冷至1点时开始从液相中析出a，此时液相线成分 沿ae线变化，冷至2点时，液相线成分到达点，发生共晶反应，形成（a+a ）共 晶体，因而合金③的室温组织：a+ （a+a ）相组成物： a+a组织： a=（40-20） /40*100%=50% a+a =1-a%=50%相： a=（90-20） /90*100%=78% a =1-a%=22%10．某合金相图如图所示。

1) 试标注①一④空白区域中存在相的名称；2) 指出此相图包括哪几种转变类型；3) 说明合金i的平衡结晶过程及室温下的显微组织答：(1)①：1+Y ②：Y +P ③：P +(a +p )④：p +a ii(2) 匀晶转变；共析转变(3) 合金①在1点以上全部为液相，冷至1点时开始从液相中析出Y固溶体至2 点结束,2〜3点之间合金全部由Y固溶体所组成,3点以下，开始从丫固溶体中析 出a固溶体，冷至4点时合金全部由a固溶体所组成,4〜5之间全部由a固溶体 所组成，冷到5点以下，由于a固溶体的浓度超过了它的溶解度限度，从a中析出 第二相P固溶体，最终得到室稳下的显微组织：a +p ii11．有形状、尺寸相同的两个 cu-ni 合金铸件，一个含 90%ni ，另一个含 50% ni， 铸后自然冷却，问哪个铸件的偏析较严重？答：含50% ni的cu-ni合金铸件偏析较严重在实际冷却过程中，由于冷速较 快，使得先结晶部分含高熔点组元多，后结晶部分含低熔点组元多，因为含 50% ni 的 cu-ni 合金铸件固相线与液相线范围比含 90% ni 铸件宽，因此它所造成 的化学成分不均匀现象要比含 90% ni 的 cu-ni 合金铸件严重。

铸件中的偏析所谓铸造偏析就是液态合金在铸型中凝固以后，铸件断面上各个部分及晶粒 与晶界之间存在化学成分的不均匀现象它有三种类型：即晶内偏析、区域偏析 和比重偏析有时铸件上只存在某一种类型的偏析，有时则几种类型同时并存 由于偏析的存在，铸件断面上或晶粒与晶界处的机械性能也不一致，从而会影响 到铸件的使用寿命为此，在铸件的生产中，应尽量防止偏析的产生1． 晶内偏析晶内偏析，又叫树枝晶偏析其特征是在一个晶粒范围内，晶内和晶界处的 化学成分不一致，熔点高的组元往往多分布于晶内，而熔点低的组元则往往多分 布于晶界如锡青铜铸件，晶粒内含铜多，而晶界处含锡多一般的产生晶内偏析，有两个条件：（1） 具有一定结晶温度范围的合金；（2） 在凝固过程中，合金原子的扩散速度小于结晶速度因为合金的结晶温度范围愈宽、铸件的冷却或结晶速度愈快，则晶内偏析愈 严重为防止晶内偏析，可以采用细化晶粒的措施，以缩短原子的扩散距离；或 适当提高浇温，以延缓冷却速度，以达到延长原子的扩散时间等对已产生晶内 偏析的铸件，可通过长时间的扩散退火来减轻晶内偏析2． 区域偏析区域偏析是指在铸件的整个断面上，各部位的成分不一致的现象主要因合 金进行选择凝固所引起。

区域偏析又分正向偏析和逆向偏析两类1）正向偏析所谓正向偏析是指铸造合金中，熔点较低的组元集中分布在铸件的中心或上 部区域，其含量从铸件的先凝固区到其后凝固区逐渐递增而逆向偏析则正好相 反，熔点较低的组元集聚在铸件边缘如硅黄铜铸件易出现正向偏析，即铸件中 心含硅量较高；锡青铜件则易产生逆向偏析，即铸件表层中锡含量较多一般的，具有一定结晶温度范围的合金，均会产生一定程度的区域偏析，只 是结晶温度范围较小的合金，倾向于产生正向偏析；而结晶温度范围较宽的结晶 时形成发达的树枝晶的合金，则易产生逆向偏析如锡青铜件表面的“锡汗”， 就是当锡青铜表面先凝固一层硬壳后，由于某种应力的作用，硬壳出现裂纹，壳 内未凝固的低熔点组元（锡）占多数的液态合金被挤出壳外而停留在铸件表面形 成的即使采用均匀化扩散退火也无法消除区域偏析，因为偏析元素需经长距离 的扩散，故区域偏析应以预防为主，一般有以下措施：（1） 选择成分合适的合金；（2） 合理的铸件结构，即避免厚大断面；（3） 正确控制冷却速度3． 比重偏析由于合金中组元比重的不同所引起的偏析，叫比重偏析比重偏析的产生， 有以下几种情况：（1）合金中的两组元在液态下互不相溶，如铜-铝合金，当此类合金在液态放置 过久时，将发生分层现象，比重大的组元沉在下面，比重小的组元浮在上面。

2）液态合金在搅拌不均的情况下，由于选择凝固所生成的晶体，其比重与母 液不同，或上浮或下沉，形成比重偏析如巴氏合金中的铅基合金或锡基合金的 偏析3）铸件的凝固方向也会影响比重偏析若铸件的凝固顺序是自下而上，对于 初生晶的比重较大的合金而言，其比重较小的低熔点相很容易上浮，会加剧比重 偏析；反之，当初生晶体的比重较小时，会减轻比重偏析总之，对易产生比重偏析的合金而言，必须采取防止措施，如控制熔炼工艺 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 的凝固方向等五、合金的吸气各种铸造合金，尤其是有色合金，在液态时都有吸收气体的特性气体在合 金中的溶解度，随温度的变化有如图 3.17所示的规律合金在固态时，气体的 溶解度很小，并随温度的升高，增加得也很少；当合金达到熔点时，气体的溶解 度急剧增加，在液态合金中熔解的气体比固态合金中的多很多可以看出，气体在液态合金中的溶解度随温度的升高增加较快，直至达最高 值后才开始下降；合金达到沸点时，气体的溶解度几乎等于零一般的，铸造合 金在熔炼时，正处于气体溶解度随温度升高而增加很快的阶段，甚至达到饱和 尤其是铝、镁合金具有较大的吸气倾向。