行，形成了具有两相沿着径向并排生长的球形共生界面双相核心。这就是共生共晶的生核过程。所以片状共晶结晶是通过搭桥方式(即领先相表面一旦出现第二相，则可通过这种彼此依附、交替生长的方式产生新的层片来构成所需的共生界面，而不需要每个层片重新生核的方式)来完成的.
非小晶面-非小晶面共生共晶组织的生长机理如下：
在共生生长过程中，两相各自向其界面前沿排出另一组元的原子，如b）图所 示，若不考虑扩散，α相前沿液相成分为
CL?高于CE，β相前沿液相成分为CL?低于CE。只有将这些原
子及时扩散开，界面才能不断生长。扩散速度正比于溶质的浓度梯度，由于α相前沿富B，而β相前沿富A，因此，横向扩散速度要比纵向大的多，纵向扩散一般可忽略不计（a图）。c)图为考虑扩散时成分分布示意图，实际上，α-β相交界处的液相成分不太可能正好为
CE，而是高于或低于CE（取决
于A、B组元的扩散特性）。于是，共晶两相通过横向扩散不断排走界面前沿积累的溶质，且又互相提供生长所需的组元，彼此合作，并排地快速向前生长。
非小晶面-非小晶面共生共晶组织的组织特点如下：
宏观平坦的共生界面将转变为类似于单相固溶体结晶时的胞状界面。在界面突出的胞状生长中，共晶两相
仍以垂直于界面的方式进行共生生长，故两相的层片将会发生弯曲而形成扇形结构。第三组元浓度较大，或在更大的凝固速度下，成分过冷进一步扩大，胞状共晶将发展为树枝状共晶组织，甚至还会导致共晶合金自外生生长到内生生长的转变。 非小晶面-非小晶面共生共晶组织的转化条件如下 ：
在α相、β相两固相间界面张力各方向相同的情况下，当某一相的体积分数远小于另一相时，则该相以棒
状方式生长。当体积含量两相相近时，则倾向于层片状生长。更确切地说，如果一相的体积分数小于1／π时，该相将以棒状结构出现；如果体积分数在1／π~1／2之间时，两相均则以片状结构出现。
16.以灰铸铁共晶生长为例，试描述“非小晶面-小晶面”共晶生长方式以及生长动力学因素对其影响。 答：非小晶面-小晶面共晶合金结晶的热力学和动力学原理与非小晶面-非小晶面共晶合金基本相同，其根
本区别在于由共晶两相在结晶特性上的巨大差异所引起的结构形态上的变化。
在灰铸铁Fe-C（石墨）共晶共生生长中，领先相石墨垂直于棱柱面以[1010]方向呈片状生长，而奥氏体则
以非封闭晕圈形式包围着石墨片（0001）基面跟随着石墨片一起长大。石墨片并非单晶体，而是由许多亚组织单元聚合而成，每一个亚组织单元是一个单晶体，它们之间是通过孪晶界或亚晶界相互连接起来的。 X-射线研究表明，石墨的基面内常含有旋转孪晶。这些孪晶为伸入液相的石墨片前端不断改变生长方向而创造了条件，也使石墨片不断分出新枝。奥氏体则依靠石墨片[1010]方向生长过程中在其周围形成的富Fe液层而迅速生长，并不断将石墨片的侧面（石墨晶体的基面）包围起来。最终形成的共生共晶组织是在奥氏体的连续基体中生长着一簇方向与其热流方向大致相近、但分布却是高度紊乱的石墨片的两相混合体。
第五章 铸件与焊缝宏观组织及其控制
1.铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的，它们的形成机理如何? 答：铸件的宏观组织通常由激冷晶区、柱状晶区和内部等轴晶区所组成。
表面激冷区的形成：当液态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用，产生
很大的过冷度而大量非均质生核。这些晶核在过冷熔体中也以枝晶方式生长，由于其结晶潜热既可从型壁导出，也可向过冷熔体中散失，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。
柱状晶区的形成：在结晶过程中由于模壁温度的升高，在结晶前沿形成适当的过冷度，使表面细晶粒区继
续长大（也可能直接从型壁处长出），又由于固-液界面处单向的散热条件（垂直于界面方向），处在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下，以表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底，呈枝晶状单向延伸生长，那些主干取向与热流方向相平行的枝晶优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长，在淘汰取向不利的晶体过程中，发展成柱状晶组织。
内部等轴晶的形成：内部等轴晶区的形成是由于熔体内部晶核自由生长的结果。随着柱状晶的发展，熔体
温度降到足够低，再加之金属中杂质等因素的作用，满足了形核时的过冷度要求，于是在整个液体中开始形核。同时由于散热失去了方向性，晶体在各个方向上的长大速度是相等的，因此长成了等轴晶。
2.试分析溶质再分配对游离晶粒的形成及晶粒细化的影响 。
答：对于纯金属在冷却结晶时候没有溶质再分配，所以在其沿型壁方向晶体迅速长大，晶体与晶体之间很
快能够连接起来形成凝固壳。当形成一个整体的凝固壳时，结晶体再从型壁处游离出来就很困难了。但是如果向金属中添加溶质，则在晶体与型壁的交汇处将会形成溶质偏析，溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处产生“脖颈”，具有“脖颈”的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成凝固壳, 另一
方面，在浇注过程和凝固初期存在的对流容易冲断“脖颈”，使晶体脱落并游离出去，形成游离晶。一些游离晶被保留下来并发生晶体增殖，成为等轴晶的核心，形成等轴晶，从而起到细化晶粒的作用。
3.液态金属中的流动是如何产生的，流动对内部等轴晶的形成及细化有何影响?
答：浇注完毕后，凝固开始阶段，在型壁处形成的晶体，由于其密度或大于母液或小于母液会产生对流，
此外型壁处和铸件心部的熔体温度差也可造成对流，从而使熔体流动。依靠熔体的流动可将型壁处产生的晶体脱落且游离到铸件的内部，并发生增殖，从而为形成等轴晶提供核心，有利于等轴晶的形成，并细化组织。
4.常用生核剂有哪些种类，其作用条件和机理如何?
答：生核剂主要有两类：一类是起非自发形核作用；另一类是通过在生长界面前沿的成分富集而使晶粒根
部和树枝晶分枝根部产生缩颈，促进枝晶熔断和游离而细化晶粒。 作用条件及机理：
（1）对于第一类生核剂可以从三个方面来理解。
第一种情况是孕育剂含有直接作为非自发生核的物质，即一些与欲细化相具有界面共格对应的高熔点物质
或同类金属微小颗粒。它们在液态金属中可直接作为欲细化相的有效衬底而促进非均质生核。 第二种情况，孕育剂能与液相中某些元素(最好是欲细化相的原子)反应生成较稳定的化合物而产生非自发
生核。此化合物应与欲细化相具有界面共格对应关系而能促进非均质生核。 第三种情况，通过在液相中造成很大的微区富集而迫使结晶相提前弥散析出而生核。
（2）对于第二类生核剂，它的作用在于使枝晶产生更细的脖颈，其结果必然导致结晶更易于游离。这种晶
粒细化剂之所以使枝晶脖颈更细，主要是溶质的偏析造成的，在凝固过程中由于溶质在枝晶侧向的偏析，使此处的过冷度减少，从而使晶体的长大受到抑制而产生细的脖颈。
5.试分析影响铸件宏观凝固组织的因素，列举获得细等轴晶的常用方法。
答：铸件的三个晶区的形成是相互联系相互制约的，稳定凝固壳层的形成决定着表面细晶区向柱状晶区的
过度，而阻止柱状晶区的进一步发展的关键则是中心等轴晶区的形成，因此凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离，以及有助于游离晶的残存与增殖的各种因素都将抑制柱状晶区的形成和发展，从而扩大等轴晶区的范围，并细化等轴晶组织。
细化等轴晶的常用方法：（1） 合理的浇注工艺：合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得及细化等轴晶的
有效措施；通过改变浇注方式强化对流对型壁激冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等轴晶的形成；（2）冷却条件的控制：对薄壁铸件，可采用高蓄热、快热传导能力的铸型；对厚壁铸件，一般采用冷却能力小的铸型以确保等轴晶的形成，再辅以其它晶粒细化措施以得到满意的效果；（3）孕育处理：影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒。（4）动力学细化：铸型振动;超声波振动;液相搅拌;流变铸造，导致枝晶的破碎或与铸型分离，在液相中形成大量结晶核心，达到细化晶粒的目的。
6.何谓“孕育衰退”，如何防止?
答：孕育衰退是指孕育效果逐渐减弱的现象。孕育效果不仅取决于孕育剂的本身，而且也与孕育处理工艺
密切相关。一般处理温度越高，孕育衰退越快，在保证孕育剂均匀散开的前提下，应尽量降低处理温度。孕育剂的粒度也要根据处理温度、被处理合金液量和具体的处理方法来选择。
7.试述焊接熔池中金属凝固的特点。
答：熔焊时，在高温热源的作用下，母材发生局部熔化，并与熔化了的焊接材料相互混合形成熔池，同时
进行短暂而复杂的冶金反应。当热源离开后，熔池金属便开始了凝固。因此，焊接熔池具有以下一些特殊性。（1）熔池金属的体积小，冷却速度快。在一般电弧焊条件下，熔池的体积最大也只有30cm3 ，
冷却速度通常可达4～100℃/s，。（2）熔池金属中不同区域温差很大、中心部位过热温度最高。熔池金属中温度不均匀，且过热度较大，尤其是中心部位过热温度最高，非自发形核的原始质点数将大为减少。（3）动态凝固过程。一般熔焊时，熔池是以一定的速度随热源而移动。（4）液态金属对流激烈。熔池中存在许多复杂的作用力，使熔池金属产生强烈的搅拌和对流，在熔池上部其方向一般趋于从熔池头部向尾部流动，而在熔池底部的流动方向与之正好相反，这一点有利于熔池金属的混和与纯净。
8.讨论分析影响焊接弯曲柱状晶形态的因素。哪种形态的柱状晶最易于产生焊接纵向裂纹？ 答：由于在焊接熔池中，晶体的生长线速度R与焊接速度υ之间存在以下关系：R晶粒生长方向与熔池移动方向之间的夹角。
在熔池液相等温线上各点的?角是变化的，说明晶粒成长的方向和线速度都是变化的。在熔合区上
晶粒开始成长的瞬时, ??90,cos??0，晶粒生长线速度为零，即焊缝边缘的生长速度最慢。而
o?υcos? 式中?—
在热源移动后面的焊缝中心，??0,cos??1，晶粒生长速度与焊接速度相等，生长最快。一般情
o况下，由于等温线是弯曲的，其曲线上各点的法线方向不断地改变，因此晶粒生长的有利方向也随之变化，形成了特有的弯曲柱状晶的形态。
焊接速度影响焊接弯曲柱状晶形态。焊接速度大时，焊接熔池长度增加, 柱状晶便趋向垂直于焊缝中心线
生长。焊接速度慢时, 柱状晶越弯曲。垂直于焊缝中心线的柱状晶，最后结晶的低熔点夹杂物被推移到焊缝中心区域，易形成脆弱的结合面，导致纵向热裂纹的产生。热裂敏感性大的奥氏体钢和铝合金最易于产生焊接纵向裂纹。
1.焊接和铸造过程中的气体来源于何处？它们是如何产生的？
答： 焊接区内的气体：焊条药皮、焊剂、焊芯的造气剂，高价氧化物及有机物的分解气体，母材坡口的油
污、油漆、铁锈、水分，空气中的气体、水分，保护气体及其杂质气体
铸造过程中的气体：熔炼过程，气体主要来自各种炉料、炉气、炉衬、工具、熔剂及周围气氛中的水分、
氮、氧、氢、CO2、CO、SO2和有机物燃烧产生的碳氢化合物等。来自铸型中的气体主要是型砂中的水分。浇注过程，浇包未烘干，铸型浇注系统设计不当，铸型透气性差，浇注速度控制不当，型腔内的气体不能及时排除等，都会使气体进入液态金属。
2. 气体是如何溶解到金属中的？电弧焊条件下，氮和氢的溶解过程一样吗？
答：气体溶解到金属中分四个阶段：（1）气体分子向金属-气体界面上运动；（2）气体被金属表面吸附；（3）
气体分子在金属表面上分解为原子；（4）原子穿过金属表面层向金属内部扩散。
电弧焊条件下，氮和氢的溶解过程不一样，氢在高温时分解度较大，电弧温度下可完全分解为原子
氢，其溶解过程为分解 — 吸附 — 溶入 。在电弧气氛中，氮以分子形式存在，其溶解过程为吸附 — 分解 — 溶入 。
3.哪些因素影响气体在金属中的溶解度，其影响因素如何？
答：气体在金属中的溶解度与压力，温度，合金成分等因素有关： （1）当温度一定时，双原子的溶解度与其分压的平方根成正比
（2）当压力一定时，溶解度与温度的关系决定于溶解反应类型，气体溶解过程为吸热反应时，△H为正值，
溶解度随温度的升高而增加；金属吸收气体为放热反应时，△H为负值，溶解度随温度的上升而降低。 （3）合金成分对溶解度的影响：液态金属中加入能提高气体含量的合金元素，可提高气体的溶解度；若加
入的合金元素能与气体形成稳定的化合物（即氮、氢、氧化合物），则可降低气体的溶解度。此外，合金元素还能改变金属表面膜的性质及金属蒸气压，从而影响气体的溶解度。
（4）电流极性的影响：直流正接时，熔滴处于阴极，阳离子将向熔滴表面运动，由于熔滴温度高，比表面
积大，故熔滴中将溶解大量的氢或氮；直流反接时，阳离子仍向阴极运动，但此时阴极已是温度较低的溶池，故氢或氮的溶解量要少。
（5）焊接区气氛性质的影响：气体分子或原子受激后溶解速度加快；电弧气氛中的阳离子N+或H+可直接
在阴极溶解；在氧化性电弧气氛中形成的NO，遇到温度较低的液态金属时可分解为N和O，而N能迅速溶入金属。
4. 电弧焊时，气体在金属中的溶解度是否服从平方根定律？为什么？
答：当温度一定时，双原子气体的溶解度与其分压的平方根成正比，这一规律称为平方根定律，但是电弧
焊时，金属液体的温度是变化的，所以气体在金属中的溶解度不服从平方根定律。
5. CO2、H2O和空气在高温下对金属的氧化性哪个大？
答：在液态铁存在的温度，空气对金属的氧化性是最大的，而H2O 气的氧化性比 CO2小。
6. 控制铸件或焊缝氮含量的重要措施是什么？ 答：
1．限制气体的来源 氮主要来源于空气，控制氮的首要措施是加强对金属的保护，防止空气与金属接触。 2．控制工艺参数 金属中氮的含量与工艺参数密切相关。应尽量采用短弧焊。焊接电流增加时，熔滴过渡
频率增加，气体与熔滴作用时间缩短，焊缝中氮含量减少。此外，焊接方法、熔滴过渡特性、电流种类等也有一定的影响。
3．冶金处理 采用冶金方法对液态金属进行脱氮除气处理，是降低金属中气体含量的有效方法。液态金属
中加入Ti、Al和稀土等对氮有较大亲和力的元素，可形成不溶于液态金属的稳定氮化物而进入溶渣，从而减少金属的氮含量。
7. 氮、氢、氧对金属的质量有何影响？
答：1．使材料脆化 钢材中氮、氢或氧的含量增加时，其塑性和韧性都将下降，尤其是低温韧性下降更为
严重。
2．形成气孔 氮和氢均能使金属产生气孔。液态金属在高温时可以溶解大量的氮或氢，而在凝固时氮或氢
的溶解度突然下降，这时过饱和的氮或氢以气泡的形式从液态金属中向外逸出。当液态金属的凝固速度大于气泡的逸出速度时，就会形成气孔。
3．产生冷裂纹 冷裂纹是金属冷却到较低温度下产生的一种裂纹，其危害性很大。氢是促使产生冷裂纹的
主要因素之一。
4．引起氧化和飞溅 氧可使钢中有益的合金元素烧损，导致金属性能下降；焊接时若溶滴中含有较多的氧
和碳，则反应生成的CO气体因受热膨胀会使熔滴爆炸，造成飞溅，影响焊接过程的稳定性。此外应当指出，焊接材料具有氧化性并不都是有害的，有时故意在焊接材料中加入一定量的氧化剂，以减少焊缝的氢含量，改善电弧的特性，获得必要的熔渣物化性能。
8.如何控制铸件或焊缝氢的含量？
答：控制铸件或焊缝氢的含量的措施有：