材料科学基础复习题及答案.docx

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材料科学基础复习题及答案

一、填空题

1.每个面心立方晶胞中的原子数为4，其配位数为12。

2.晶格常数为a的体心立方晶胞,其原子数为2,原子半径为

配位数为8，致密度为0.68。

3.刃型位错的柏氏矢量与位错线互相垂直,螺型位错的柏氏矢量与位错线互相平行。

4.螺型位错的位错线平行于滑移方向，位错线的运动方向垂直于位错线。

5.在过冷液体中，晶胚尺寸小于临界尺寸时不能自发长大。

6.均匀形核既需要结构起伏，又需要能量起伏。

7.纯金属结晶时，固液界面按微观结构分为光滑界面和粗糙界面。

8.纯金属的实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度，这种现象称为过冷，理论结晶温度与实际开始结晶温度之差称为过冷度。

9．合金中的基本相结构，有固溶体和金属化合物两类，其中前者具有较高的综合机械性能，适宜做基体相；后者具有较高的熔点和硬度，适宜做强化相。

10.间隙相和间隙化合物主要受组元的原子尺寸因素控制。

11.相律是分析相图的重要工具，当系统的压力为常数时，相律的表达式为f＝c－p＋1。

12.根据相律，二元合金结晶时，最多可有3个相平衡共存，这时自由度为0。

13.根据相区接触法则可以推定，两个单相区之间必定有一个两相区，两个两相区之间必须以单相区或三相共存水平线隔开。

二元相图的三相区是一条水平线，该区必定与两相区以点接触，与单相区以线接触。

14.铸锭的宏观组织是由表层细晶区、柱状晶区、中心等轴晶区三个区组成。

15.莱氏体是共晶转变所形成的奥氏体和渗碳体组成的混合物。

16.相变反应式L（液）→α（固）+β（固）表示共晶反应；γ（固）→α（固）+β（固）表示共析反应。

17.固溶体合金结晶时，其平衡分配系数Ko表示固液两平衡相中的溶质浓度之比。

18.铁碳合金中，一次渗碳体由液相产生，二次渗碳体由奥氏体产生，三次渗碳体由铁素体产生。

19.一个滑移系是由滑移面和滑移方向组成。

20.面心立方晶格的滑移系有12个，体心立方晶格的滑移系有12个。

21.滑移常沿晶体中最密排的晶面及晶向发生。

22.扩散的驱动力是化学位梯度。

23.所谓上坡扩散是指沿着浓度降低的方向进行的扩散，使浓度趋于均匀化，反应扩散是指通过扩散使固溶体的溶质组元浓度超过固溶体极限而形成新相的过程。

24.在Fick第一定律的表达式

中，负号表示扩散由高浓度向低浓度方向进行。

二、选择题

1．Fe―Fe3C合金中，合金具有最好流动性的是（B）。

A.C%=4.00%B.C%=4.30%C.C%=4.60%

2．凝固的热力学条件为（C）。

A.形核率B.系统自由能增加C.过冷度

3．二元相图中，当有二次相析出时，固溶线表现为（A）。

A.垂线B.水平线C.斜线

4.符号表示（C）。

A.晶面族B.晶向族C.晶向

5.A和A-B合金焊合后发生柯肯达尔效应，测得界面向A试样方向移动，则（A）。

A.A组元的扩散速率大于B组元B.B组元的扩散速率大于A组元

C.和扩散速率大小无关

6.在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为（C）。

A.原子互换机制B.间隙机制C.空位机制

7.形成临界晶核时体积自由能的减少只能补偿表面能的（B）。

A.1/3B.2/3C.3/4

8.面心立方（fcc）结构的铝晶体中，每个铝原子在本层（111）面上的原子配位数为（A）。

A.6B.8C.4

9.简单立方晶体的致密度为（B）。

A.65%B.52%C.58%

10.机械零件在正常工作条件下多数处于（A）。

A.弹性变形状态B.塑性变形状态C.弹塑性变形状态

11.实际晶体的线缺陷表现为（B）。

A.空位和间隙原子B.位错C.晶界

12.铸件裂纹一般产生在（A）。

A.铸件较厚的地方B.较薄的地方C.有孔的地方

13.缩孔最可能出现的部位是（A）。

A.铸件最上部B.铸件中部C.在铸件最上部及热节处

14.冷铁配合冒口形成定向凝固能防止铸件（A）。

A.缩孔、缩松B.应力C.变形

15.铅在常温下的变形属（B）。

A.冷变形B.热变形C.弹性变形

16.某金属凝固时的形核功为△G*，其临界晶核界面能为△G，则△G*和△G的关系为（A）。

A.△G=3△G*B.△G=1/3△G*C.△G=△G*

17.氮、氧在金属中一般占据间隙位置，这是因为（C）。

A.金属中间隙半径大于氮、氧原子半径B.氮、氧都是气体

C.氮、氧原子半径较小，能挤入金属中的间隙位置

18.根据二元相图相区接触规则，（B）。

A.两个单相之间必定有一个单相区隔开

B.两个两相区必须以单相区或三相共存水平线隔开

C.三相水平线必须和四个两相区相邻

19.二次再结晶是（C）。

A.相变过程B.形核长大过程C.某些晶粒特别长大的过程

20.在单相组织中存在大小不等的晶粒，由界面曲度驱动界面移动的规律可知（C）。

A.小晶粒将移向大晶粒一方，直到晶粒大小相等

B.大小晶粒依靠吞并相邻晶粒同时长大

C.界面将移向小晶粒一方，最后小晶粒将消失

21.强化金属材料的各种手段，考虑的出发点都在于（A）。

A.尽量减少位错或设置位错运动的障碍B.去除位错运动的障碍

C.使位错适当地减少

22.金属中通常存在着溶质原子或杂质原子，它们的存在（C）。

A.总是使晶格常数增大B.总是使晶格常数减小

C.可能使晶格常数增大，也可能使其减小

23.拉伸单晶时，滑移面转向（A）时最易滑移。

A.与外力轴成45ºB.与外力轴平行C.与外力轴垂直

24.若A、B两组元形成电子化合物，但是该化合物中A组元所占的质量分数超过了60%，则该相晶体结构（C）。

A.与A相同B.与B相同C.与A、B都不相同

25.在非均匀形核中，外来杂质形状对形核效果有重要影响，其中（A）对形核最为有利。

A.凹曲面状B.平面状C.凸曲面状

26.因晶体转动而使原来有利于滑移的晶面滑移到一定程度后变成不利于滑移的晶面的现象称为（B）。

A.物理硬化B.几何硬化C.加工硬化

27.一根弯曲的位错线，（B）。

A.具有唯一的位错类型B.具有唯一的柏氏矢量

C.位错类型和柏氏矢量处处相同

28.某一种金属的熔点是1083℃，该金属最低再结晶温度约为（A）。

A.269.4℃B.342.9℃C.433.2℃

29.在二元合金中，铸造性能最好的合金是具有（C）。

A.共析成分合金B.固溶成分合金C.共晶成分合金

30.固态金属扩散最可能按（A）进行。

A.间隙扩散机理B.换位扩散机理C.空位扩散机理

31.要获得结晶过程所需的驱动力，实际结晶温度必须（C）理论结晶温度。

A.高于B.等于C.低于

32.相变反应式L（液）+α（固）→β（固）表示（B）反应。

A.共晶B.包晶C.包析

33.对称倾侧晶界的晶界结构由（B）组成。

A.螺型位错B.刃型位错C.割阶

34.立方晶系中，与晶面（011）垂直的晶向是（A）。

A.[011]B.[100]C.[101]

35.高温回复阶段，金属中亚结构发生变化时,（C）。

A.位错发生塞积B.形成位错缠结C.刃型位错通过攀移和滑移构成亚晶界

36.在二元合金相图中，稳定化合物为（A）。

A.一条垂直线B.一条曲线C.一个区域

37.铸件在凝固时若不出现成分过冷，则铸件组织将是（B）。

A.全部等轴晶B.全部柱状晶C.柱状晶+中心等轴晶

38.在工业生产条件下金属结晶时，过冷度越大，则（B）。

A.N越大B.N/G提高C.N/G降低

39.金属在冷变形过程后进行机加工，一般都需要在其中增加退火，其目的是（B）。

A.消除网状组织B.消除冷变形强化C.消除偏析组织

三、判断及改错

1、Fick第一定律表示通过某一截面的扩散流量与垂直这个截面方向上浓度梯度成正比，其方向与浓度降落方向一致。

（×）

2、共晶合金在铸造中流动性一般较差。

（×）

3、间隙固溶体和置换固溶体均可形成无限固溶体。

（×）

4、金属铸件可通过再结晶退火来细化晶粒。

（×）

5、金属铸锭的宏观组织通常由三个晶区组成：

外表层的细晶区、中间柱状晶区及心部等轴晶区。

（）

6、重结晶和再结晶都是在固态下的形核与长大的过程，两者没有本质区别。

（×）

7、在立方晶系中，

与

是互相平行的两个晶面。

（×）

8、与纯金属结晶相比，固溶体结晶时除需要结构起伏和能量起伏外还需要浓度起伏。

（）

9、扩散系数D相当于浓度梯度为1时的扩散通量。

（）

10、铁素体与奥氏体的根本区别在于固溶度不同，前者（为bcc）小而后者（为fcc）大。

（×）

11、观察共析钢的显微组织，发现图中显示渗碳片层密集程度不同。

凡是片层密集处则碳含量偏多，而疏稀处则碳含量偏少。

（×）

12、缩孔、缩松的产生原因是固态收缩得不到补缩。

（）

改错：

1.所谓过冷度是指结晶时，在冷却曲线上出现平台的温度与熔点之差；而动态过冷度是指结晶过程中，实际液相的温度与熔点之差。

所谓过冷度是指结晶时，在冷却曲线上出现的实际结晶温度与熔点之差；而动态过冷度是指结晶过程中，液/固界面前沿液体中的温度与熔点之差。

2.金属结晶时，原子从液相无序排列到固相有序排列，使体系熵值减小，因此是一个自发过程。

金属结晶时，原子从液相无序排列到固相有序排列，使体系自由能减小，因此是一个自发过程。

3.在任何温度下，液态金属中出现的最大结构起伏都是晶胚。

在过冷液体中，液态金属中出现的最大结构起伏都是晶胚。

4.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的增加时的晶胚大小。

所谓临界晶核，就是体系自由能的减少能够补偿2/3表面自由能的增加时的晶胚大小。

5.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，还是可以成核的。

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，即便有足够的能量起伏提供，还是不能成核。

6.非均匀形核总是比均匀形核容易，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。

非均匀形核总是比均匀形核容易，因为前者是以外加质点为基底，形核功小，不像后者那样形成界面，而引起自由能的增加。

7.无论温度分布如何，常用纯金属生长都是呈树枝状界面。

只有在负温度梯度条件下，常用纯金属生长都是呈树枝状界面。

8.液态纯金属中加入形核剂，其生长形态总是呈树枝状。

液态纯金属中加入形核剂，其生长形态不会发生改变。

9.从宏观上观察，如液/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。

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

10.固溶体合金无论在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。

固溶体合金无论在平衡或非平衡结晶过程中，液/固界面上液相成分沿着液相线变化；固相成分沿着固相线变化。

11.在共晶线上利用杠杆定律可以计算出共晶体的相对量，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。

在共晶线上利用杠杆定律可以计算出共晶体的相对量，而共晶线属于三相区，但杠杆定律仅适用于两相区，所以共晶体的相对量实际上是在两相区中算出来的。

12.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。

将固溶体合金棒反复多次进行区域熔炼，并采用定向缓慢凝固的方法，可以有效地提纯金属。

13.铁素体和奥氏体的根本区别在于固溶度不同，前者小而后者大。

铁素体和奥氏体的根本区别在于晶体结构不同，前者为bcc，而后者为fcc。

14.在Fe-Fe3C系合金中，只有过共析钢的平衡结晶组织中才有二次渗碳体存在。

在Fe-Fe3C系合金中，只有当碳质量分数0.77%

15.无论何种成分的碳钢，随着含碳量的增加，组织中铁素体相对量减少，而珠光体相对量增加。

对于亚共析成分的碳钢，随着含碳量的增加，组织中铁素体相对量减少，而珠光体相对量增加。

16.Wc=4.3%的共晶白口铁的显微组织中，白色基体为Fe3C，其中包括Fe3CⅠ，Fe3CⅡ，Fe3CⅢ，Fe3C共析，Fe3C共晶等。

Wc=4.3%的共晶白口铁的显微组织中，白色基体为Fe3C，其中包括Fe3CⅡ及Fe3C共晶。

17.用Ni-Cu合金焊条焊接某合金板料时，发现焊条慢速移动时，焊缝易出现胞状组织，而快速移动时，则易于出现树枝状组织。

用Ni-Cu合金焊条焊接某合金板料时，发现焊条慢速移动时，焊缝易出现树枝状组织，而快速移动时，则易于出现胞状组织。

18.如果固体中不存在扩散流，则说明原子没有扩散。

固体中即使不存在宏观扩散流，但由于原子热振动的迁移跳跃，扩散仍然存在。

纯物质中的自扩散即是一个典型的例证。

19.因固溶体原子每次跳动方向是随机的，所以在如何情况下扩散流为零。

原子每次跳动方向是随机的。

只有当系统处于热平衡状态，原子在任一跳动方向上的跳动几率才是相等的。

此时虽存在原子的迁移（即扩散），但没有宏观扩散流。

如果系统处于非平衡状态，系统中必须存在热力学势的梯度（具体可表示为浓度梯度、化学位梯度、应变能梯度等）。

原子在热力学势减少的方向上的跳动几率将大于在热力学势增大方向上的跳动几率。

于是就出现了宏观扩散流。

20.晶界上原子排列混乱，不存在空位，所以以空位机制扩散的原子在晶界处无法扩散。

晶界上原子排列混乱，与非晶体相类似，其原子堆积密集程度远不及晶粒内部，因而对原子的约束能力较弱，晶界原子的能量及振动频率ν明显高于晶内原子。

所以晶界处原子具有更高的迁移能力。

晶界扩散系数也明显高于晶内扩散系数。

21.间隙固溶体中溶质浓度越高，则溶质所占据的间隙越多，供扩散的空余间隙越少，即z值越小，导致扩散系数下降。

事实上这种情况不可能出现。

间隙固溶体的溶质原子固溶度十分有限，即使是达到过饱和状态，溶质原子数目要比晶体中的间隙总数要小几个数量级，因此，在间隙原子周围的间隙位置可看成都是空的。

即对于给定晶体结构，z为一个常数。

22.体心立方比面心立方晶体的配位数要小，故由D=1/6fzPa2关系式可见，α-Fe中原子扩散系数要小于γ-Fe中的扩散系数。

虽然体心立方晶体的配位数小，但其属于非密堆结构。

与密堆结构的面心立方的晶体相比较，f值相差不大（0.72和0.78）之间，但原子间距大，原子因约束力小而振动频率ν高，其作用远大于配位数的影响。

而且原子迁移所要克服的阻力也小，具体表现为扩散激活能低，扩散常数较大，实际情况是在同一温度，α-Fe有更高的自扩散系数，而且溶质原子在α-Fe中的扩散系数要比γ-Fe高。

四、名词解释

1.间隙固溶体和有序固溶体

溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是填入溶剂原子间的一些间隙中，这样得到的固溶体称为间隙固溶体。

当溶质原子按适当比例并按一定的顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布时，这种固溶体就叫有序固溶体。

2.光滑界面和粗糙界面

光滑界面：

从原子尺度看，液固界面是光滑平整的，液、固两相被截然分开；在光学显微镜下，光滑界面有曲折的若干小平面组成，所以又称为小平面界面。

粗糙界面：

从原子尺度看，液固界面高低不平，并存在这几个原子间距厚度的过渡层，在过渡层中液、固两相原子犬牙交错地分布着。

由于过渡层很薄，在光学显微镜下，这类界面是平直的，又称为非小平面界面。

3.变质处理和晶粒度

变质处理：

在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒。

这种方法称为变质处理。

晶粒度：

晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。

4.包析转变，熔晶转变，偏晶转变，合晶转变

包析转变：

是由两个固相共同作用形成一个固相的恒温转变。

熔晶转变：

是由一个固相恒温分解为一个液相和另一个固相的恒温转变。

偏晶转变：

是由一个液相L1分解为一个固相和另一成分的液相L2的恒温转变。

合晶转变：

是由两个成分不同的液相L1和L2相互作用形成一个固相的恒温转变。

5.平衡凝固，非平衡凝固，正常凝固

平衡凝固：

是指合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。

非平衡凝固：

凝固过程中，液、固两相的成分偏离液、固相线，使凝固过程进行到一更低的温度才能完成，并且凝固后固体的成分是不均匀的，这种偏离平衡凝固条件下的结晶过程称为非平衡凝固。

正常凝固：

固溶体经正常凝固后整个锭子的质量浓度分布如下图所示（k0＜1），这符合一般铸锭中浓度的分布，因此称为正常凝固。

图正常凝固后溶质浓度在铸锭内的分布

6.铁素体，奥氏体，莱氏体，珠光体，渗碳体

铁素体：

碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，为体心立方结构，常用符号F或α表示。

奥氏体：

碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，为面心立方结构，常用符号A或γ表示。

莱氏体：

奥氏体和渗碳体的共晶混合物称为莱氏体。

珠光体：

铁素体和渗碳体的机械混合物。

渗碳体：

铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化合物。

渗碳体具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近于零。

在钢中以片状存在或网络状存在于晶界。

在莱氏体中为连续的基体，有时呈鱼骨状。

7．滑移和孪生，滑移系和滑移带

滑移：

晶体的塑性变形是晶体的一部分相对于另一部分沿某些晶面和晶向发生滑动的结果，这种变形方式叫滑移。

孪生：

是晶体的一部分沿一定的晶面和一定的晶向相对于另一部分晶体做均匀地切变的过程称为孪生。

滑移系：

一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个滑移系。

滑移带：

对单晶体试样进行拉伸时，当试样经适量的塑性变形后，在金相显微镜下可以观察到，在抛光的试样表面上出现许多相互平行的滑移线，相互靠近的一组滑移线就构成了一个滑移带。

8.加工硬化

加工硬化：

金属材料随着冷塑变形程度的增大，强度和硬度逐渐升高，塑性和韧性逐渐降低的现象称为加工硬化或冷作硬化。

9.交滑移和多滑移

交滑移：

是指两个或多个滑移面共同沿着一个滑移方向的滑移。

交滑移的实质是螺位错在不改变滑移方向的情况下，从一个滑移面滑到交线处，转到另一个滑移面的过程。

多滑移：

由于变形时晶体转动的结果，有两组以上滑移面同时转到有利位向，使滑移可能在两个以上的滑移面上同时或交替地进行，形成“多滑移”。

10.临界分切应力和取向因子

临界分切应力：

晶体中使滑移系开动的最小分切应力，数值大小取决于金属的晶体结构、纯度、加工状态、试验温度与加载速度，当条件一定时，各种晶体的临界分切应力各有定值，而与外力的大小、方向及作用方式无关。

取向因子：

称为取向因子，或称施密特因子（Schmid），取向因子越大，则分切应力越大。

11.回复和再结晶

回复：

为了消除金属的加工硬化现象，将变形金属加热到某一温度，以使其组织和性能发生变化。

在加热温度较低时，原子的活动能力不大，这时金属的晶粒大小和形状没有明显的变化，只是在晶内发生点缺陷的消失以及位错的迁移等变化，因此，这时金属的强度、硬度和塑性等机械性能变化不大，而只是使内应力及电阻率等性能显著降低。

此阶段为回复阶段。

再结晶：

被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动能力，使晶粒的外形开始变化。

从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。

和变形前的晶粒形状相似，晶格类型相同，把这一阶段称为“再结晶”。

12.原子扩散，反应扩散，上坡扩散，下坡扩散，自扩散，互扩散

下坡扩散：

是指沿着浓度降低的方向进行的扩散，即由高浓度向方向低浓度扩散，使浓度趋于均匀化。

上坡扩散：

是指沿着浓度升高的方向进行的扩散，即由低浓度向高浓度方向扩散，使浓度发生两级分化。

反应扩散：

通过扩散使固溶体的溶质组元浓度超过固溶体极限而形成新相的过程称为反应扩散或相变扩散。

原子扩散：

在扩散过程中基体晶格始终不变，没有新相产生，这种扩散称为原子扩散。

自扩散：

自扩散就是不伴有浓度变化的扩散，它与浓度梯度无关。

自扩散只发生在纯金属和均匀固溶体中。

互扩散：

互扩散是伴有浓度变化的扩散，它与异类原子的浓度差有关。

在扩散过程中，异类原子相对扩散，互相渗透，所以又称为“异扩散”或“化学扩散”。

五、简答题

1．作图表示立方晶体的（123）、（421）、（

）晶面及[

]、[346]。

2.在立方系中绘出{110}、{111}晶面族所包括的晶面及（112）,（

）晶面。

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？

根据自由能与晶胚半径的变化关系，可以知道半径rrk的晶胚才有可能成核；而r=rk的晶胚既可能消失，也可能稳定长大。

因此，半径为rk的晶胚成为临界晶核。

其物理意义是，过冷液体中涌现出来的短程有序的原子团，当其尺寸r≥rk时，这样的原子团便可成为晶核而长大。

临界晶核半径，其大小与过冷度有关

4.试述结晶相变的热力学条件，动力学条件，能量及结构起伏。

分析结晶相变时系统自由能的变化可知，结晶的热力学条件为ΔG<0；由单位体积自由能的变化，

可知，只有T>0，才有ΔGV<0。

即只有过冷，才能使ΔGV<0。

动力学条件为液相的过冷度大于形核所需的临界过冷度，即

。

由临界晶核形核功ΔGK=1/3σA可知，当形成一个临界晶核时，还有1/3的表面能必须有液体中的能量起伏来提供。

液体中存在的结构起伏，是结晶时产生晶核的基础，因此，结构起伏是结晶过程必须具备的结构条件。

5.根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。

由凝固理论可知，结晶时单位体积中的晶粒数目z取决于形核率

和晶体长大速率G两个因素，即

。

基本途径：

（1）增加过冷度ΔT。

ΔT增加，

和G都随之增加，但是

的增长率大于G的增长率。

因而，

/G的值增加，即z增多。

（2）加入形核剂，即变质处理。

加入形核剂后，可以促使过冷液体发生非均匀形核。

它不但使非均匀形核所需要的基底增多，而且使临界晶核体积减小，这都将使晶核数目增加，从而细化晶粒。

（3）振动结晶。

振动，一方面提供了形核所需要的能量，另一方面可以使正在生长的晶体破断，可增加更多的结晶核心，从而使晶粒细化。

6.根据Pb-Sn相图，试分析：

1）什么成分的合金适于压力加工，什么成分的合金适于铸造?

2）结合所学知识，用什么方法可以提高WSn<19%铅合金的强度？

1）压力加工时，要求合金有良好的塑性变形能力，组织中不允许有过多的脆性第二相，所以要求铝合金中合金元素含量较低，一般不超过极限固溶度的成分。

对Al