材料科學基礎(chǔ)相圖習題

...wd......wd......wd...1．以以下列圖為一勻晶相圖，試根據(jù)相圖確定：(1)wB＝0.40的合金開場凝固出來的固相成分為多少(2)假設(shè)開場凝固出來的固體成分為wB＝0.60，合金的成分為多少(3)成分為wB＝0.70的合金最后凝固時的液體成分為多少(4)假設(shè)合金成分為wB＝0.50，凝固到某溫度時液相成分wB＝0.40，固相成分為wB＝0.80，此時液相和固相的相對量各為多少?2．Mg—Ni系的一個共晶反響為：〔570℃〕設(shè)wNi1＝C1為亞共晶合金，wNi2＝C2為過共晶合金，這兩種合金中的先共晶相的質(zhì)量分數(shù)相等，但C1合金中的α總量為C2臺金中α總量的2.5倍，試計算C1和C2的成分。根據(jù)A-B二元相圖(1)寫出圖中的液相線、固相線、α和β相的溶解度曲線、所有的兩相區(qū)及三相恒溫轉(zhuǎn)變線；(2)平衡凝固時，計算A-25B(weight%)合金〔y’y線〕凝固后粗晶β相在鑄錠中的相對含量；(3)畫出上述合金的冷卻曲線及室溫組織示意圖。4．根據(jù)如以下列圖的二元共晶相圖〔1〕分析合金I，II的結(jié)晶過程，并畫出冷卻曲線；〔2〕說明室溫下合金I，II的相和組織是什么，并計算出相和組織組成物的相對含量〔3〕如果希望得到共晶組織加上5％的初的合金，求該合金的成分?！?〕合金I，II在快冷不平衡狀態(tài)下結(jié)晶，組織有何不同5．指出以下相圖中的錯誤：(a)(a)(b)(c)(d)6.試述二組元固溶體相的吉布斯〔Gibbs〕自由能-成分曲線的特點?1．以以下列圖為一勻晶相圖，試根據(jù)相圖確定：(1)wB＝0.40的合金開場凝固出來的固相成分為多少(2)假設(shè)開場凝固出來的固體成分為wB＝0.60，合金的成分約為多少(3)成分為wB＝0.70的合金最后凝固時的液體成分約為多少(4)假設(shè)合金成分為wB＝0.50，凝固到某溫度時液相成分wB＝0.40，固相成分為wB＝0.80，此時液相和固相的相對量各為多少?第1題答案2．Mg—Ni系的一個共晶反響為：〔570℃〕設(shè)wNi1＝C1為亞共晶合金，wNi2＝C2為過共晶合金，這兩種合金中的先共晶相的質(zhì)量分數(shù)相等，但C1合金中的α總量為C2臺金中α總量的2.5倍，試計算C1和C2的成分。第2題答案3．根據(jù)A-B二元相圖(1)寫出圖中的液相線、固相線、α和β相的溶解度曲線、所有的兩相區(qū)及三相恒溫轉(zhuǎn)變線；(2)平衡凝固時，計算A-25B(weight%)合金〔y’y線〕凝固后粗晶β相在鑄錠中的相對含量；(3)畫出上述合金的冷卻曲線及室溫組織示意圖。第3題答案4．根據(jù)如以下列圖的二元共晶相圖〔1〕分析合金I，II的結(jié)晶過程，并畫出冷卻曲線；〔2〕說明室溫下合金I，II的相和組織是什么，并計算出相和組織組成物的相對含量〔3〕如果希望得到共晶組織加上5％的初的合金，求該合金的成分?！?〕合金I，II在快冷不平衡狀態(tài)下結(jié)晶，組織有何不同第4題答案：第4題：5．指出以下相圖中的錯誤：(a)(a)(b)(c)(d)第5題答案：(a):α、γ相區(qū)間應有兩相區(qū)。即相圖中違反了“鄰區(qū)原那么〞。(b):二元系中不可能有四相平衡，即違反了“相律〞。(c):純組元A在1個溫度范圍內(nèi)結(jié)晶，這是違反相律的。(d):二元系中三相平衡時，3個相都必須有確定的成分。圖中液相上的成分是范圍，這是錯誤的。6.試述二組元固溶體相的吉布斯〔Gibbs〕自由能-成分曲線的特點?第6題答案：7．組元A和B的熔點分別為700℃和500℃，在液態(tài)完全互溶，在固態(tài)局部互溶形成α和β固溶體，其最大溶解度分別為為5％B和25％A〔重量〕，在零度時溶解度那么為2％B和5％A〔重量〕。兩金屬形成熔點為750℃的A2B化合物，A和B的原子量分別為30和50。在450℃和320℃分別發(fā)生液體成分為22％B和60％B〔重量〕的共晶轉(zhuǎn)變?！?〕試根據(jù)相律繪成平衡相圖并標注各相區(qū)符號及特征點的溫度和成分?！?〕如果希望得到A2B化合物與答案：〔1〕相圖，x為A原子重量百分比。設(shè)合金的成分為x，由題意：Wβ初=(x-0.6)/(0.75-0.6)=5%x=5%*15%+60%=0.75%+60%=60.75%8．綜述金屬結(jié)晶過程形核的熱力學條件、能量條件和構(gòu)造條件。答：必須同時滿足以下四個條件，結(jié)晶才能進展?！?〕熱力學條件為G<0。只有過冷〔熱過冷〕才能使G<0。因為Gv＝－LmT/Tm〔T為過冷度〕，即金屬結(jié)晶時，實際開場結(jié)晶的溫度必須低于理論結(jié)晶已度〔即T＞0〕?！?〕能量條件為具有能量起伏。一個臨界晶核形成時，五分之一的外表能要靠能量起伏來提供?！?〕構(gòu)造條件為具有構(gòu)造起伏。液態(tài)金屬中規(guī)那么排列的原子集團時聚時散的現(xiàn)象。它是結(jié)晶核心形成的根基。結(jié)晶—金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固，由于固態(tài)金屬是晶體故又把凝固稱為結(jié)晶。重結(jié)晶—指在固態(tài)狀態(tài)下，物質(zhì)由一種構(gòu)造轉(zhuǎn)變成另一種構(gòu)造，這是一種固態(tài)相變過程。再結(jié)晶—將冷壓力加工以后的金屬加熱到一定溫度后，在變形的組織中重新產(chǎn)生新的無畸變的等軸晶粒、性能恢復到冷壓力加工前的軟化狀態(tài)的過程。在此過程中，仍然屬于固態(tài)過程。三者的區(qū)別于聯(lián)系：結(jié)晶、重結(jié)晶發(fā)生相變過程，再結(jié)晶沒有；結(jié)晶、重結(jié)晶和再結(jié)晶都是形核與長大的過程。發(fā)生結(jié)晶與重結(jié)晶的驅(qū)動力為反響相與生成相的自由能差，再結(jié)晶為儲存能。再結(jié)晶后強度、硬度下降而塑韌性提高，而重結(jié)晶那么屬于同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。第九章燒結(jié)；1、解釋以下名詞；〔1〕燒結(jié)：粉料受壓成型后在高溫作用下而致密化的；燒成：坯體經(jīng)過高溫處理成為制品的過程，燒成包括多；變化；局部；〔2〕晶粒生長：無應變的材料在熱處理時，平均晶粒；況下，連續(xù)增大的過程；二次再結(jié)晶：少數(shù)巨大晶粒在細晶消耗時成核長大過程；〔3〕固相燒結(jié)：固態(tài)粉末在適當?shù)臏囟?、壓力、氣氛；氣孔之間的傳質(zhì)，變?yōu)閳杂病⒅旅軣Y(jié)體的過程；液第九章燒結(jié)1、解釋以下名詞〔1〕燒結(jié)：粉料受壓成型后在高溫作用下而致密化的物理過程。燒成：坯體經(jīng)過高溫處理成為制品的過程，燒成包括多種物理變化和化學變化。燒成的含義包括的范圍廣，燒結(jié)只是燒成過程中的一個重要局部。〔2〕晶粒生長：無應變的材料在熱處理時，平均晶粒尺寸在不改變其分布的情況下，連續(xù)增大的過程。二次再結(jié)晶：少數(shù)巨大晶粒在細晶消耗時成核長大過程?！?〕固相燒結(jié)：固態(tài)粉末在適當?shù)臏囟取毫?、氣氛和時間條件下，通過物質(zhì)與氣孔之間的傳質(zhì)，變?yōu)閳杂?、致密燒結(jié)體的過程。液相燒結(jié)：有液相參加的燒結(jié)過程。2、詳細說明外加劑對燒結(jié)的影響?答：〔1〕外加劑與燒結(jié)主體形成固溶體使主晶格畸變，缺陷增加，有利構(gòu)造基元移動而促進燒結(jié)；〔2〕外加劑與燒結(jié)主體形成液相，促進燒結(jié)；〔3〕外加劑與燒結(jié)主體形成化合物，促進燒結(jié)；〔4〕外加劑阻止多晶轉(zhuǎn)變，促進燒結(jié)；〔5〕外加劑起擴大燒結(jié)范圍的作用。3、簡述燒結(jié)過程的推動力是什么?答：能量差，壓力差，空位差。4、說明影響燒結(jié)的因素答：〔1〕粉末的粒度。細顆粒增加了燒結(jié)推動力，縮短原子擴散距離，提高顆粒在液相中的溶解度，從而導致燒結(jié)過程的加速；〔2〕外加劑的作用。在固相燒結(jié)中，有少量外加劑可與主晶相形成固溶體，促進缺陷增加，在液相燒結(jié)中，外加劑改變液相的性質(zhì)〔如粘度，組成等〕，促進燒結(jié)?！?〕燒結(jié)溫度：晶體中晶格能越大，離子結(jié)合也越結(jié)實，離子擴散也越困難，燒結(jié)溫度越高。〔4〕保溫時間：高溫段以體積擴散為主，以短時間為好，低溫段為外表擴散為主，低溫時間越長，不僅不引起致密化，反而會因外表擴散，改變了氣孔的形狀而給制品性能帶來損害，要盡可能快地從低溫升到高溫，以創(chuàng)造體積擴散條件?！?〕氣氛的影響：氧化，復原，中性。〔6〕成形壓力影響：一般說成型壓力越大顆粒間接觸越嚴密，對燒結(jié)越有利。5、在擴散傳質(zhì)的燒結(jié)過程中，使坯體致密的推動力是什么哪些方法可促進燒結(jié)說明原因。答：在擴散傳質(zhì)的燒結(jié)過程中，系統(tǒng)內(nèi)不同部位〔頸部、顆粒接觸點、顆粒內(nèi)部〕空位濃度不同，導致原子或質(zhì)點由顆粒接觸點向頸部遷移，填充到氣孔中。因此使坯體致密化的推動力是空位濃度差。對于擴散傳質(zhì)：〔1〕控制原料的起始粒度非常重要，顆粒細小的原料可促進燒結(jié)，因為頸部增長速率x/r與原料起始粒度r的3/5次方成反比；〔2〕溫度對燒結(jié)過程有決定性作用，擴散系數(shù)與溫度呈指數(shù)關(guān)系，因此提高溫度可加速燒結(jié)。6、固相燒結(jié)與液相燒結(jié)的主要傳質(zhì)方式固相燒結(jié)與液相燒結(jié)之間有何一樣與不同之處答：固相燒結(jié)的主要傳質(zhì)方式有蒸發(fā)-凝聚傳質(zhì)和擴散傳質(zhì)，液相燒結(jié)的主要傳質(zhì)方式有溶解-沉淀傳質(zhì)和流動傳質(zhì)。固相燒結(jié)與液相燒結(jié)的共同點是燒結(jié)的推動力都是外表能；燒結(jié)過程都是由顆粒重排、物質(zhì)傳遞與氣孔充填、晶粒生長等階段組成。不同點是：由于流動傳質(zhì)比擴散傳質(zhì)速度快，因而致密化速率高；固相燒結(jié)主要與原料粒度和活性、燒結(jié)溫度、氣氛成型壓力等因素有關(guān)，液相燒結(jié)與液相數(shù)量、液相性質(zhì)、液-固潤濕情況、固相在液相中的溶解度等有關(guān)。7、氧化鋁燒結(jié)到接近理論密度時，可使可見光幾乎透過100％，用它來裝鈉蒸氣〔在超過大氣壓的壓力下〕作為路燈。為通過燒結(jié)實現(xiàn)這一點，請你列出研究方案。答：制備透明氧化鋁陶瓷的主要技術(shù)措施是：〔1〕采用高純氧化鋁原料，Al2O3>99.9%，無雜質(zhì)和玻璃相；〔2〕添加0.1～0.5%MgO，在晶粒外表生成鎂鋁尖晶石，降低晶界移動速度，抑制晶粒生長；〔3〕在氫氣或真空中燒結(jié)，促進氣孔擴散；〔4〕采用熱壓燒結(jié)，提高制品致密度。8、試述燒結(jié)的推動力和晶粒生長的推動力，并比較兩者之大小。答：燒結(jié)推動力是粉狀物料的外表能〔γsv〕大于多晶燒結(jié)體的晶界能〔γgb〕，即γsv>γgb。生長的推動力是晶界兩側(cè)物質(zhì)的自由焓差，使界面向晶界曲率半徑小的晶粒中心推進。燒結(jié)的推動力較大，約為4~20J/g。晶粒生長的推動力較小，約為0.4~2J/g，因而燒結(jié)推動力比晶粒生長推動力約大十倍。9、99％A12O3瓷的燒結(jié)實驗測得在1350℃燒結(jié)時間為10min時，收縮率Δ為4%；燒結(jié)時間為45min，收縮率為7.3%。試求這種氧化鋁瓷燒結(jié)的主要傳質(zhì)方式是哪一種答：Al2O3瓷燒結(jié)的主要傳質(zhì)方式是擴散傳質(zhì)。10、燒結(jié)推動力是什么?它可憑哪些方式推動物質(zhì)的遷移，各適用于何種燒結(jié)機理?解:燒結(jié)的推動力從廣義上講是化學位移梯度，具體的是系統(tǒng)的外表能；主要以流動傳質(zhì)，擴散傳質(zhì)，氣象傳質(zhì)，溶解-沉淀方式推動物質(zhì)遷移。其中：固相燒結(jié)中傳質(zhì)機理：〔1〕流動傳質(zhì)〔2〕擴散傳質(zhì)〔2〕氣相傳質(zhì)。液相燒結(jié)中的傳質(zhì)機理〔1〕流動傳質(zhì)〔2〕溶解-沉淀11、燒結(jié)過程是怎樣產(chǎn)生的，各階段的特征是什么?解：燒結(jié)過程是經(jīng)過成型的固體粉狀顆粒在加熱到低于熔點溫度的溫度下，產(chǎn)生顆粒粘結(jié)；通過物質(zhì)傳遞，使成型題逐漸變成具有一定幾何形狀和性能的整體的過程。燒結(jié)初期：顆粒僅發(fā)生重排和鍵和，顆粒和空隙形狀變化很小，頸部相對變化x/r<0.3，線收縮率小于0.06。燒結(jié)中期：〔1〕燒結(jié)中期，頸部進一步擴大，顆粒變形較大，氣孔由不規(guī)那么的形狀逐漸變成由三個顆粒包圍的，近似圓柱形的氣孔，且氣孔是聯(lián)通的?！?〕晶界開場移動，顆粒正常長大。與氣孔接觸的顆粒外表為空位源，質(zhì)點擴散以體積擴散和晶界擴散為主而擴散到氣孔表面，空位返鄉(xiāng)擴散而消失。〔3〕坯體氣孔率降為5%左右，收縮達90%。燒結(jié)末期：〔1〕進入燒結(jié)末期，氣孔封閉，相互孤立，理想情況為四個顆粒包圍，近似球狀?！?〕晶粒明顯長大，只有擴散機理是重要的，質(zhì)點通過晶界擴散和體積擴散，進入晶界間近似球狀的氣孔中。〔3〕收縮率達90~100%，密度達理論值的95%以上。12、以下過程中哪一個能使燒結(jié)體強度增大，而不產(chǎn)生坯體宏觀上的收縮?試說明之?！瞐〕蒸發(fā)冷凝；〔b〕體積擴散；〔c〕粘性流動；〔d〕外表擴散；〔e〕溶解沉淀解：a，d能使燒結(jié)體強度增大，而不會產(chǎn)生坯體宏觀上的收縮。因為這兩種物質(zhì)傳遞僅涉及坯體外表形狀的變化，而并沒有涉及到坯體內(nèi)部氣孔體積的變化。這樣，坯體外表顆粒間接觸面積增大，粘附力增加，從而使燒結(jié)體強度增大，但不產(chǎn)生坯體宏觀上的收縮。13、有人試圖用延長燒結(jié)時間來提高產(chǎn)品致密度，你以為此法是否可行，為什么解：延長燒結(jié)時間一般都為不同程度地促使燒結(jié)完成，但對粘性流動機理的燒結(jié)較為明顯，而對體積擴散和外表擴散機理影響較小。對體積擴散和外表擴散，低溫下以外表擴散為主，高溫下以體積擴散為主，而外表擴散并不改變?yōu)榕黧w的致密度，因此，可適當延長高溫燒結(jié)時間。另外，在燒結(jié)后期，不合理的延長燒結(jié)時間，有時會加劇二次再結(jié)晶作用，反而得不到充分致密的制品。14、材料的許多性能如強度、光學性能等要求其晶粒尺寸微小且分布均勻，工藝上應如何控制燒結(jié)過程以到達此目的?解:〔1〕晶粒的大小取決于起始晶粒的大小，燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間；〔2〕防止二次再結(jié)晶引起的晶粒異常長大。15、試分析二次再結(jié)晶過程對材料性能有何種效應?解：二次再結(jié)晶發(fā)生后，由于個別晶粒異常長大，氣孔進入晶粒內(nèi)部，成為孤立閉氣孔，不易排除，使燒結(jié)速率降低甚至停頓，坯體不再致密；加之大晶粒的晶界上有應力存在，使其內(nèi)部易出現(xiàn)隱裂紋，繼續(xù)燒結(jié)時坯體易膨脹而開裂，使燒結(jié)體的機械、電學性能下降。16、特種燒結(jié)和常規(guī)燒結(jié)有什么區(qū)別?試舉例說明。解：常規(guī)燒結(jié)過程主要是基于顆粒間的接觸與鍵合，以及在外表張力推動下物質(zhì)的傳遞過程。其總體的推動力由系統(tǒng)外表能提供。這就決定了其致密化是有一定限度的。常規(guī)條件下坯體密度很難到達理論密度值。對于特種燒結(jié)，它是為了適應特種材料對性能的要求而產(chǎn)生的。這些燒結(jié)過程除了常規(guī)燒結(jié)中由系統(tǒng)外表能提供的驅(qū)動力之外，還由特殊工藝條件增加了系統(tǒng)燒結(jié)的驅(qū)動力，因此提高了坯體的燒結(jié)速率，大大增加了坯體的致密化程度。例如熱壓燒結(jié)，它是加壓成型與加壓燒結(jié)同時進展的一種燒結(jié)工藝。由于同時加溫加壓，有利于粉末顆粒的接觸、擴散和流動等傳質(zhì)過程，降低了燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間，抑制了晶粒的長大。其容易獲得接近理論密度、氣孔率接近零的燒結(jié)體。17、〔a〕燒結(jié)MgO時參加少量FeO，在氫氣氛和氧分壓低時都不能促進燒結(jié)，只有在氧分壓高的氣氛下才促進燒結(jié)；〔b〕燒結(jié)Al2O3時，氫氣易促進致密化而氮氣阻礙致密化。試分析其原因。解：〔a〕對FeO，易形成負離子過剩型非化學計量化合物，其缺陷反響式為：112FeFe?O2(g)?2FeFe??OO?VFe''或O2(g)?OO?VFe''?2h?，另外，22在MgO的燒結(jié)中是正離子起擴散起控制作用的燒結(jié)過程，因而氧氣氛和氧分壓較高是有利的?！瞓〕燒結(jié)氧化鋁Al2O3時，由于氫原子半徑很小，擴散系數(shù)較大，易于擴散而有利于閉氣孔的去除；而原子半徑大的氮那么由于其擴散系數(shù)較小難于擴散而阻礙燒結(jié)。18、某磁性氧化物材料被認為是遵循正常晶粒長大方程。當顆粒尺寸增大超出1μm的平均尺寸時，那么磁性和強度等性質(zhì)就變壞，未燒結(jié)前的原始顆粒大小為0.1μm。燒結(jié)30分鐘使晶粒尺寸長大為原來的3倍。因大坯件翹曲，