材料科學基礎相圖習題

1、1下圖為一勻晶相圖，試根據(jù)相圖確定： (1) wB0.40的合金開始凝固出來的固相成分為多少？ (2)若開始凝固出來的固體成分為wB0.60，合金的成分為多少？ (3)成分為wB0.70的合金最后凝固時的液體成分為多少？ (4)若合金成分為wB0.50，凝固到某溫度時液相成分wB0.40，固相成分為wB0.80，此時液相和固相的相對量各為多少?2MgNi系的一個共晶反應為： （570）設wNi1C1為亞共晶合金，wNi2C2為過共晶合金，這兩種合金中的先共晶相的質量分數(shù)相等，但C1合金中的總量為C2臺金中總量的2.5倍，試計算C1和C2的成分。3 根據(jù)A-B二元相圖 (1) 寫出圖中的液相線、

2、固相線、和相的溶解度曲線、所有的兩相區(qū)及三相恒溫轉變線；(2) 平衡凝固時，計算A-25B(weight%)合金（yy線）凝固后粗晶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)如圖所示的二元共晶相圖 （1）分析合金I，II的結晶過程，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b初的合金，求該合金的成分。 （4）合金I，II在快冷不平衡狀態(tài)下結晶，組織有何不同？5指出下列相圖中的錯誤： (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

3、特點? 1下圖為一勻晶相圖，試根據(jù)相圖確定： (1) wB0.40的合金開始凝固出來的固相成分為多少？ (2)若開始凝固出來的固體成分為wB0.60，合金的成分約為多少？ (3)成分為wB0.70的合金最后凝固時的液體成分約為多少？ (4)若合金成分為wB0.50，凝固到某溫度時液相成分wB0.40，固相成分為wB0.80，此時液相和固相的相對量各為多少?第1題答案2MgNi系的一個共晶反應為： （570）設wNi1C1為亞共晶合金，wNi2C2為過共晶合金，這兩種合金中的先共晶相的質量分數(shù)相等，但C1合金中的總量為C2臺金中總量的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

4、相圖 (1) 寫出圖中的液相線、固相線、和相的溶解度曲線、所有的兩相區(qū)及三相恒溫轉變線；(2) 平衡凝固時，計算A-25B(weight%)合金（yy線）凝固后粗晶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)如圖所示的二元共晶相圖 （1）分析合金I，II的結晶過程，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b初的合金，求該合金的成分。 （4）合金I，II在快冷不平衡狀態(tài)下結晶，組織有何不同？第4題答案：第4題：5指出下列相圖中的錯誤： (a)(b)(c)(d)第

5、5題答案：(a): 、相區(qū)間應有兩相區(qū)。即相圖中違反了“鄰區(qū)原則”。(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個溫度范圍內結晶，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)部分互溶形成和固溶體，其最大溶解度分別為為5B和25A（重量），在零度時溶解度則為2B和5A（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3

6、20分別發(fā)生液體成分為22B和60B（重量）的共晶轉變。（1）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。（2）如果希望得到A2B化合物與共晶組織加上5的b初的合金，求該合金的成分。05碩士答案：（1）相圖，x為A原子重量百分比。設合金的成分為x，由題意：W初=(x-0.6)/(0.75-0.6)=5%x=5%*15%+60%=0.75%+60%=60.75%8綜述金屬結晶過程形核的熱力學條件、能量條件和結構條件。答：必須同時滿足以下四個條件，結晶才能進行。（1）熱力學條件為DG0。 只有過冷（熱過冷）才能使DG99.9%，無雜質和玻璃相；（2）添加0.10.5%MgO，在晶粒

7、表面生成鎂鋁尖晶石，降低晶界移動速度，抑制晶粒生長；（3）在氫氣或真空中燒結，促進氣孔擴散；（4）采用熱壓燒結，提高制品致密度。8、試述燒結的推動力和晶粒生長的推動力，并比較兩者之大小。答：燒結推動力是粉狀物料的表面能（sv）大于多晶燒結體的晶界能（gb），即svgb。生長的推動力是晶界兩側物質的自由焓差，使界面向晶界曲率半徑小的晶粒中心推進。燒結的推動力較大，約為420J/g。晶粒生長的推動力較小，約為0.42J/g，因而燒結推動力比晶粒生長推動力約大十倍。9、99A12O3瓷的燒結實驗測得在1350燒結時間為10min時，收縮率LL為4%；燒結時間為45min，收縮率為7.3%。試求這種氧

8、化鋁瓷燒結的主要傳質方式是哪一種？答：Al2O3瓷燒結的主要傳質方式是擴散傳質。10、燒結推動力是什么? 它可憑哪些方式推動物質的遷移，各適用于何種燒結機理?解: 燒結的推動力從廣義上講是化學位移梯度，具體的是系統(tǒng)的表面能；主要以流動傳質，擴散傳質，氣象傳質，溶解 - 沉淀方式推動物質遷移。其中：固相燒結中傳質機理：（1） 流動傳質 （2） 擴散傳質 （2） 氣相傳質。液相燒結中的傳質機理 （1） 流動傳質 （2） 溶解-沉淀11、燒結過程是怎樣產(chǎn)生的，各階段的特征是什么?解：燒結過程是經(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；通過 物質傳遞，使成型題逐漸變成具有一定幾

9、何形狀和性能的整體的過程。燒結初期：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/r0.3 ，線收縮率小于0.06 。燒結中期：（1）燒結中期，頸部進一步擴大，顆粒變形較大，氣孔由不規(guī)則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。（2）晶界開始移動，顆粒正常長大。與氣孔接觸的顆粒表面為空位源，質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%。燒結末期：（1）進入燒結末期，氣孔封閉，相互孤立，理想情況為四個顆粒包圍，近似球狀。（2）晶粒明顯長大，只有擴散機理是重要的，質點通過晶界擴散和體積擴散

10、，進入晶界間近似球狀的氣孔中。（3）收縮率達90100%， 密度達理論值的95% 以上。12、下列過程中哪一個能使燒結體強度增大，而不產(chǎn)生坯體宏觀上的收縮? 試說明之。（a）蒸發(fā)冷凝； （b） 體積擴散； （c） 粘性流動； （d） 表面擴散； （e） 溶解沉淀解：a，d能使燒結體強度增大，而不會產(chǎn)生坯體宏觀上的收縮。因為這兩種物質傳遞僅涉及坯體表面形狀的變化，而并沒有涉及到坯體內部氣孔體積的變化。這樣，坯體表面顆粒間接觸面積增大，粘附力增加，從而使燒結體強度增大，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：延長燒結時間一般都為不同

11、程度地促使燒結完成，但對粘性流動機理的燒結較為明顯，而對體積擴散和表面擴散機理影響較小。對體積擴散和表面擴散，低溫下以表面擴散為主，高溫下以體積擴散為主，而表面擴散并不改變?yōu)榕黧w的致密度，因此，可適當延長高溫燒結時間。另外，在燒結后期，不合理的延長燒結時間，有時會加劇二次再結晶作用，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過程以達到此目的?解:（1） 晶粒的大小取決于起始晶粒的大小，燒結溫度和燒結時間；（2） 防止二次再結晶引起的晶粒異常長大。15、試分析二次再結晶過程對材料性能有何種效應?解：二次再結晶發(fā)生后，由于個別

12、晶粒異常長大，氣孔進入晶粒內部，成為孤立閉氣孔，不易排除，使燒結速率降低甚至停止，坯體不再致密；加之大晶粒的晶界上有應力存在，使其內部易出現(xiàn)隱裂紋，繼續(xù)燒結時坯體易膨脹而開裂，使燒結體的機械、電學性能下降。16、特種燒結和常規(guī)燒結有什么區(qū)別? 試舉例說明。解：常規(guī)燒結過程主要是基于顆粒間的接觸與鍵合，以及在表面張力推動下物質的傳遞過程。其總體的推動力由系統(tǒng)表面能提供。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達到理論密度值。對于特種燒結，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 過程除了常規(guī)燒結中由系統(tǒng)表面能提供的驅動力之外，還由特殊工藝條件增加了系統(tǒng)燒結的驅動力，因此

13、提高了坯體的燒結速率，大大增加了坯體的致密化程度。例如熱壓燒結，它是加壓成型與加壓燒結同時進行的一種燒結工藝。由于同時加溫加壓，有利于粉末顆粒的接觸、擴散和流動等傳質過程，降低了燒結溫度和燒結時間，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體。17、（a） 燒結MgO時加入少量FeO，在氫氣氛和氧分壓低時都不能促進燒結，只有在氧分壓高的氣氛下才促進燒結；（b） 燒結Al2O3時，氫氣易促進致密化而氮氣妨礙致密化。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，其缺陷反應式為：112FeFe?O2(g)?2FeFe?OO?VFe或O2(g)?OO?VF

14、e?2h?，另外，22在MgO的燒結中是正離子起擴散起控制作用的燒結過程，因而氧氣氛和氧分壓較高是有利的。（b） 燒結氧化鋁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清除；而原子半徑大的氮則由于其擴散系數(shù)較小難于擴散而阻礙燒結。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1m的平均尺寸時，則磁性和強度等性質就變壞，未燒結前的原始顆粒大小為0.1m 。燒結30分鐘使晶粒尺寸長大為原來的3倍。因大坯件翹曲，生產(chǎn)車間主任打算增加燒結時間。你想推薦的最長時間是多少?解：由D0=0.1m 和t=30min，D=3D0=0.3m可得：D2-D02=k

15、t，K=0.08/30m2/min，D=1m，12-（0.1）2=kt=0.08/30t，t=371.25min。固相燒結的主要傳質方式有蒸發(fā)-凝聚傳質和擴散傳質，液相燒結的主要傳質方式有溶解-沉淀傳質和流動傳質。固相燒結與液相燒結的共同點是燒結的推動力都是表面能；燒結過程都是由顆粒重排、物質傳遞與氣孔充填、晶粒生長等階段組成。不同點是：由于流動傳質比擴散傳質速度快，因而致密化速率高；固相燒結主要與原料粒度和活性、燒結溫度、氣氛成型壓力等因素有關，液相燒結與液相數(shù)量、液相性質、液-固潤濕情況、固相在液相中的溶解度等有關。一次滲碳體是從液態(tài)結晶時產(chǎn)生的，一般是較大的條塊狀，其大小和多少隨合金的成份和冷卻速度而定，在過共晶鐵碳合金中常見到。這是一種金屬間化合物，非金屬的性質很明顯，性能是硬而脆的，也就是常講的Fe3C。生產(chǎn)中可通過長時間的高溫擴散退火來進行消除。二次滲碳體在降溫時因含碳