《材料科學(xué)基礎(chǔ)》習(xí)題及參考題答案課件

1、一、名詞解釋1.空間點(diǎn)陣2.原子配位數(shù)3.晶體缺陷4.晶界5.螺位錯(cuò) 返回答案答案答案答案答案一、名詞解釋1.空間點(diǎn)陣返回答案答案答案答案答案1.空間點(diǎn)陣 把原子或原子團(tuán)按某種規(guī)律抽象成三維空間排列的點(diǎn)，這些有規(guī)律排列的點(diǎn)稱為空間點(diǎn)陣。2.原子配位數(shù) 晶體中與任何一原子最臨近并且等距離的原子數(shù)，它表示晶體中原子的密堆程度以及原子的化學(xué)鍵數(shù)。3.晶體缺陷 晶體中原子排列的不完全區(qū)域，按幾何特征分為點(diǎn)、線、面、體晶體缺陷。4.晶界 在兩個(gè)晶粒接觸區(qū)間原子錯(cuò)排的區(qū)域。5.螺位錯(cuò) 位錯(cuò)線與柏氏矢量平行的位錯(cuò)。返回1.空間點(diǎn)陣返回二、簡(jiǎn)答題1.空間點(diǎn)陣與晶體點(diǎn)陣有何區(qū)別？2.金屬的3種常見晶體結(jié)構(gòu)中，不

2、能作為一種空間點(diǎn)陣的是哪種結(jié)構(gòu)？3.原子半徑與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)的配位數(shù)降低時(shí)原子半徑如何變化？4.在晶體中插入柱狀半原子面時(shí)能否形成位錯(cuò)環(huán)？5.計(jì)算位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受力的表達(dá)式為，其中是指什么？返回答案答案答案答案答案二、簡(jiǎn)答題1.空間點(diǎn)陣與晶體點(diǎn)陣有何區(qū)別？返回答案答案答案答6.位錯(cuò)受力后運(yùn)動(dòng)方向處處垂直于位錯(cuò)線，在運(yùn)動(dòng)過程中是可變的，晶體作相對(duì)滑動(dòng)的方向應(yīng)是什么方向？7.位錯(cuò)線上的割階一般如何形成？8.界面能最低的界面是什么界面？9. “小角度晶界都是由刃型位錯(cuò)排成墻而構(gòu)成的”這種說法對(duì)嗎？返回答案答案答案答案6.位錯(cuò)受力后運(yùn)動(dòng)方向處處垂直于位錯(cuò)線，在運(yùn)動(dòng)過程中是可變的1.晶體點(diǎn)陣也稱晶體

3、結(jié)構(gòu)，是指原子的具體排列；而空間點(diǎn)陣則是忽略了原子的體積，而把它們抽象為純幾何點(diǎn)。2. 密排六方結(jié)構(gòu)。 3. 原子半徑發(fā)生收縮。這是因?yàn)樵右M量保持自己所占的體積不變或少變 原子所占體積VA原子的體積(4/3r3+間隙體積)，當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)的配位數(shù)減小時(shí)，即發(fā)生間隙體積的增加，若要維持上述方程的平衡，則原子半徑必然發(fā)生收縮。返回1.晶體點(diǎn)陣也稱晶體結(jié)構(gòu)，是指原子的具體排列；而空間點(diǎn)陣則 4. 不能。因?yàn)槲诲e(cuò)環(huán)是通過環(huán)內(nèi)晶體發(fā)生滑 移、環(huán)外晶體不滑移才能形成。 5. 外力在滑移面的滑移方向上的分切應(yīng)力。 6. 始終是柏氏矢量方向。 7. 位錯(cuò)的交割。 8. 共格界面。 9. 否，扭轉(zhuǎn)晶界就由交叉的

4、同號(hào)螺型位錯(cuò)構(gòu)成返回 4. 不能。因?yàn)槲诲e(cuò)環(huán)是通過環(huán)內(nèi)晶體發(fā)生滑 移、環(huán)外三、綜合題1.作圖表示立方晶體的（123）（0 -1 -2）（421）晶面及-102-211346晶向。2. 寫出立方晶體中晶向族，等所包括的等價(jià)晶向。3.寫出立方晶體中晶面族100，110，111，112等所包括的等價(jià)晶面。4.總結(jié)3種典型的晶體結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)特征 。5. 在立方晶系中畫出以001為晶帶軸的所有晶面。返回答案答案答案答案答案三、綜合題1.作圖表示立方晶體的（123）（0 -1 6. 面心立方晶體的(100),(110),(111)等晶面的面間距和面密度，并指出面間距最大的面。7. Ni 的晶體結(jié)構(gòu)為面心立

5、方結(jié)構(gòu)，其原子半徑為r =0.1243求Ni 的晶格常數(shù)和密度。8. Mo的晶體結(jié)構(gòu)為體心立方結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)a=0.3147nm，試求Mo的原子半徑r。9. 在Fe中形成1mol 空位的能量為104. 67kJ，試計(jì)算從20升溫至850時(shí)空位數(shù)目增加多少倍?返回答案答案答案答案6. 面心立方晶體的(100),(110),(111)等晶面10. 判斷下列位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行。 1) a/210-1+a/6-121a/311-1 2) a100a/2101+a/210-1 3) a/3112+a/2111a/611-1 4) a100a/2111+a/21-1-1 返回答案10. 判斷下列位錯(cuò)反應(yīng)能

6、否進(jìn)行。返回答案11. 若面心立方晶體中有b=a/2-101的單位位錯(cuò)及b=a/612-1的不全位錯(cuò)，此二位錯(cuò)相遇產(chǎn)生位錯(cuò)反應(yīng)。 1)問此反應(yīng)能否進(jìn)行？為什么？ 2) 寫出合成位錯(cuò)的柏氏矢量，并說明合成位錯(cuò)的類型。12.已知柏氏矢量b=0.25nm，如果對(duì)稱傾側(cè)晶界的取向差=1及10，求晶界上位錯(cuò)之間的距離。從計(jì)算結(jié)果可得到什么結(jié)論？返回答案答案11. 若面心立方晶體中有b=a/2-101的單位返回1.返回1.2. 答案： 100十010+001， 共3個(gè)等價(jià)晶向。110十-110+101+-101+011+0-11， 共6個(gè)等價(jià)晶向。111+-111+1-11+11-1， 共4個(gè)等價(jià)晶向。返

7、回2. 答案：返回3. 答案： 100(100)+(010)+(001)， 共3個(gè)等價(jià)面。110(110)+(-110)+(101)+ (-101)+(011)+(0-11)， 共6個(gè)等價(jià)面。111(111)+(-111)+(1-11)+(11-1)， 共4個(gè)等價(jià)面。112=(112)+(-112)+(1-12)+(11-2)+(121)+ (-121)+(1-21)+(12-1)+(211)+(-211)+ (2-11)+(21-1) 共12個(gè)等價(jià)面。 返回3. 答案：返回4.返回4.返回 5.答案：晶帶軸uvw與該晶帶的晶面(hkl)之間存在以下關(guān)系: hu+kv+lw=0; 將晶帶軸00

8、1代人，則 h*0+k*0+l*1=0; 當(dāng)l=0時(shí)對(duì)任何h,k取值均能滿足上式，故晶帶軸001的所有晶帶面的晶面指數(shù)一般形式為(hk0).返回 5.答案：晶帶軸uvw與該晶帶的晶面(hkl)之間存在6.答案：在面心立方晶體中，當(dāng)(hkl)不全為奇數(shù)或偶數(shù)時(shí)，有附加面。 從上面計(jì)算結(jié)果得知，原子排列最密排的(111)晶面的面間距最大。 返回6.答案：在面心立方晶體中，當(dāng)(hkl)不全為奇數(shù)或偶數(shù)時(shí)， 7.答案： 返回 7.答案： 返回8.答案：返回8.答案：返回9.答案：返回9.答案：返回 10.答案： (1) 能。 幾何條件：b前b后； 能量條件：b前2b后2 (2) 不能。 能量條件：b前

9、2b后2， 兩邊能量相等。(3) 不能。幾何條件：b前a/b557， b后a/b11-1， 不能滿足。(4) 不能。能量條件：b前2 b后2(2) b合a/3-111；該位錯(cuò)為弗蘭克不全位錯(cuò)。返回 11.答案： (1) 能夠進(jìn)行。返回12. 答案：當(dāng)1，D14 nm；10，D1.4 nm時(shí)，即位錯(cuò)之間僅有56個(gè)原子間距，此時(shí)位錯(cuò)密度太大，說明當(dāng)角較大時(shí)，該模型已不適用。 返回12. 答案：當(dāng)1，D14 nm；10，D1第二章固體中的相結(jié)構(gòu) 返回第二章固體中的相結(jié)構(gòu) 返回一、名詞解釋1.金屬間化合物2.固溶體3.同素異構(gòu)體4.間隙固溶體5.重合位置點(diǎn)陣答案答案答案答案答案返回一、名詞解釋1.金屬

10、間化合物答案答案答案答案答案返回1.金屬間化合物 由不同的金屬或金屬與亞金屬組成的一類合金相，其點(diǎn)陣既不同于溶劑的點(diǎn)陣，也不同于溶質(zhì)的點(diǎn)陣，而是屬于一種新的點(diǎn)陣。2.固溶體 在合金相中，組成合金的異類原子以不同比例均勻混合，混合后形成的合金相的點(diǎn)陣與組成合金的溶劑組元結(jié)構(gòu)相同。 3.同素異構(gòu)體 相圖同素異構(gòu)體成分的化學(xué)物質(zhì)在不同熱力學(xué)條件下形成的各種不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。返回1.金屬間化合物返回4.間隙固溶體 溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱為間隙固溶體。5.重合位置點(diǎn)陣 由于兩晶粒的位相差符合某些特殊角度時(shí)，部分晶界原子將處于相鄰晶體點(diǎn)陣的重合位置，由這些原子重合位置組成比原來(lái)點(diǎn)陣大的新

11、點(diǎn)陣原子稱為重合位置點(diǎn)陣。返回4.間隙固溶體返回二、簡(jiǎn)答題 1.為什么外界溫度的急劇變化可以使許多陶瓷器件開裂或破碎？ 2. 為什么只有置換固熔體的兩個(gè)組元之間才能無(wú)限互溶，而間隙固熔體則不能？ 3. 陶瓷材料中主要結(jié)合鍵是什么？從結(jié)合鍵的角度解釋陶瓷材料所具有的特殊性能。 返回答案答案答案二、簡(jiǎn)答題 1.為什么外界溫度的急劇變化可以使許多陶瓷1.因?yàn)榇蠖鄶?shù)陶瓷主要由晶相和玻璃相組成，這兩種相的熱膨脹系數(shù)相差較大，由高溫很快冷卻時(shí)，每種相的收縮不同，所造成的內(nèi)應(yīng)力足以使陶瓷器件開裂或破碎。 2.這是因?yàn)樾纬晒倘垠w時(shí)，熔質(zhì)原子的熔入會(huì)使熔劑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變，從而使體系能量升高。熔質(zhì)與熔劑原子尺寸

12、相差越大，點(diǎn)陣畸變的程度也越大，則畸變能越高，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越低，熔解度越小。 一般來(lái)說，間隙固熔體中熔質(zhì)原子引起的點(diǎn)陣畸變較大，故不能無(wú)限互溶，只能有限熔解。 返回1.因?yàn)榇蠖鄶?shù)陶瓷主要由晶相和玻璃相組成，這兩種相的熱膨脹系3.陶瓷材料中主要的結(jié)合鍵是離子鍵及共價(jià)鍵。由于離子鍵及共價(jià)鍵很強(qiáng)，故陶瓷的抗壓強(qiáng)度很高，硬度極高。因?yàn)樵右噪x子鍵和共價(jià)鍵結(jié)合時(shí)，外層電子處于穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，不能自由運(yùn)動(dòng)，故陶瓷材料的熔點(diǎn)很高，抗氧化性好，耐高溫，化學(xué)穩(wěn)定性高。返回3.陶瓷材料中主要的結(jié)合鍵是離子鍵及共價(jià)鍵。由于離子鍵及共價(jià)三、綜合題1. 計(jì)算fcc和bcc晶體中四面體間隙及八面體間隙的大小(用原子半徑尺

13、表示)，并注明間隙中心坐標(biāo)。 指出溶解在-Fe中C原子所處的位置，若此位置全部被C原子占據(jù)，那么，間在此情況下，-Fe能溶解C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為多少?實(shí)際上碳在鐵中的最大溶解質(zhì)量分?jǐn)?shù)是多少?二者在數(shù)值上有差異的原因是什么?2.試從晶體結(jié)構(gòu)的角度，說明間隙固溶體、間隙相及間隙化合物之間的區(qū)別。返回答案答案三、綜合題1. 計(jì)算fcc和bcc晶體中四面體間隙及八面體3. 何謂玻璃？從內(nèi)部原子排列和性能上看，非晶態(tài)和晶態(tài)物質(zhì)主要區(qū)別何在? 4.有序合金的原子排列有何特點(diǎn)？這種排列和結(jié)合鍵有什么關(guān)系？為什么許多有序合金在高溫下變成無(wú)序？ 5. 試分析H、N、C、B在Fe和Fe中形成固熔體的類型、存在位置和固溶

14、度（摩爾分?jǐn)?shù)）。各元素的原子半徑如下：H為0.046nm，N為0.071nm，C為0.077nm，B為0.091nm，F(xiàn)e為0.124nm， Fe為0.126 nm。返回答案答案答案3. 何謂玻璃？從內(nèi)部原子排列和性能上看，非晶態(tài)和晶態(tài)物質(zhì)6.已知Cd,Zn,Sn,Sb等元素在Ag中的固熔度（摩爾分?jǐn)?shù)）極限分別為 它們的原子直徑分別為0.3042nm，0.314nm，0.316nm，0.3228nm，Ag為0.2883nm。試分析其固熔度（摩爾分?jǐn)?shù)）極限差別的原因，并計(jì)算它們?cè)诠倘鄱龋柗謹(jǐn)?shù)）極限時(shí)的電子濃度。返回答案6.已知Cd,Zn,Sn,Sb等元素在Ag中的固熔度（摩爾分1. fcc八

15、面體間隙半徑: 間隙中心坐標(biāo)為：1/2,1/2,1/2 fcc四面體間隙半徑： 間隙中心坐標(biāo)為：3/4,1/4,3/4 bcc八面體間隙半徑：返回 間隙中心坐標(biāo)為：1/2,1/2,1 bcc四面體間隙半徑： 間隙中心坐標(biāo)為：1/2,1/4,1 1. fcc八面體間隙半徑:返回 間隙中心 -Fe為fcc結(jié)構(gòu)，八面體間隙半徑較大，所以-Fe中的C原子一般處于八面體間隙位置。 由于fcc結(jié)構(gòu)中八面體間隙數(shù)與原子數(shù)相等，若此類位置全部被C原子占據(jù)，則-Fe中C的原子數(shù)分?jǐn)?shù)為50%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17. 6%。 而實(shí)際上C在-Fe中 最大質(zhì)且分?jǐn)?shù)為 2. 11%，大大小于理論值，這是因?yàn)镃原子半徑為 0.

16、077nm，大于八面體間隙半徑(0. 054nm) ,所以碳的溶人會(huì)引起-Fe晶格畸變，這就妨礙了碳原子進(jìn)一步的溶人。返回 -Fe為fcc結(jié)構(gòu)，八面體間隙半徑較大，所以-F2. 答案：溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱為間隙固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)原子通常是原子半徑小于0.1nm的非金屬元素，H,B,C,N,O等。 間隙固溶體保持母相(溶劑)的晶體結(jié)構(gòu)，其成分可在一定固溶度極限值內(nèi)波動(dòng)，不能用分子式表示。 間隙相和間隙化合物屬原子尺寸因素占主導(dǎo)地位的中間相。它們顯然也是原子半徑較小的非金屬元素占據(jù)晶格的間隙，然而間隙相、間隙化合物的晶格與組成他們的任一組元晶格都不相同。它們的成分可

17、在一定范圍內(nèi)波動(dòng).但組成它們的組元大致都具有一定的原子組成比，可用化學(xué)分子式來(lái)表示。 當(dāng)RB/RA0.59時(shí)，則形成間隙化合物，其結(jié)構(gòu)為復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。返回2. 答案：溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱為間隙 3.答案：所謂玻璃，是指具有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的非晶態(tài)固體。玻璃與其他非晶態(tài)的區(qū)別就在于有無(wú)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。玻璃態(tài)也指非晶態(tài)金屬和合，它實(shí)際上是一種過冷狀態(tài)液體金屬。 從內(nèi)部原子排列的特征來(lái)看，晶體結(jié)構(gòu)的基本特征是原子在三維空間呈周期性排列，即存在長(zhǎng)程有序，而非晶體中的原子排列卻無(wú)長(zhǎng)程有序的特點(diǎn)。 從性能上看，晶體具有固定熔點(diǎn)和各向異性，而非晶體則無(wú)固定熔點(diǎn)，且系各向同性。返回 3.

18、答案：所謂玻璃，是指具有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的非晶態(tài)固體。玻 4.答案： 有序固熔體，其中各組元原子分別占據(jù)各自的布拉菲點(diǎn)陣稱為分點(diǎn)陣，整個(gè)固熔體就是由各組元的分點(diǎn)陣組成的復(fù)雜點(diǎn)陣，也叫超點(diǎn)陣或超結(jié)構(gòu)。 這種排列和原子之間的結(jié)合能(鍵)有關(guān)。結(jié)合能愈大，原子愈不容易結(jié)合。 如果異類原子間結(jié)合能小于同類原子間結(jié)合能， 即EAB (EAA十EBB)/2， 則熔質(zhì)原子呈部分有序或完全有序排列。有序化的推動(dòng)力是混合能參量 (mAB1/2(EAA+EBB)m 0， 而有序化的阻力則是組態(tài)熵；升溫使后者對(duì)于自由能的貢獻(xiàn)(-TS)增加，達(dá)到某個(gè)臨界溫度以后，則紊亂無(wú)序的固熔體更為穩(wěn)定，有序固熔體消失，而變成無(wú)序固

19、熔體。 返回 4.答案： 有序固熔體，其中各組元原子分別占據(jù)各自的布拉菲5. 答案：-Fe為體心立方點(diǎn)陣，致密度雖然較小，但是它的間隙數(shù)目多且分散，因而間隙半徑很小： r四=0.291，R0.0361nm；r八0.154，R0.0191nm。H，N，C，B等元素熔人。 -Fe中形成間隙固熔體，由于尺寸因素相差很大，所以固熔度(摩爾分?jǐn)?shù))都很小。 例如N在-Fe中的固熔度(摩爾分?jǐn)?shù))在590時(shí)達(dá)到最大值，約為N0.110-2，在室溫時(shí)降至N0.00110-2；C在-Fe中的固溶度(摩爾分?jǐn)?shù))在727時(shí)達(dá)最大值，僅為C0.02l810-2，在室溫時(shí)降至C0.00610-2。 所以，可以認(rèn)為碳原子在

20、室溫幾乎不熔于-Fe中，微量碳原子僅偏聚在位錯(cuò)等晶體缺陷附近。假若碳原子熔入-Fe中時(shí)，它的位置多在-Fe的八面體間隙中心，因?yàn)?Fe中的八面體間隙是不對(duì)稱的，形為扁八面體，100方向上間隙半徑r0.154R，而在110方向上，r0.633R，當(dāng)碳原子熔入時(shí)只引起一個(gè)方向上的點(diǎn)陣畸變。硼原子較大，熔人間隙更為困難，有時(shí)部分硼原子以置換方式熔人。 氫在-Fe中的固熔度(摩爾分?jǐn)?shù))也很小，且隨溫度下降時(shí)迅速降低。以上元素在-Fe中的固熔度(摩爾分?jǐn)?shù))較大一些。這是因?yàn)?Fe具有面心立方點(diǎn)陣，原子堆積致密，間隙數(shù)目少，故間隙半徑較大：rA0.414，R0.0522nm；r四0.225，R0.0284

21、 nm。故上述原子熔入時(shí)均處在八面體間隙的中心。如碳在-Fe中最大固熔度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為c2.110-2；氮在-Fe中的最大固熔度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))約為N2.810-2。返回5. 答案：-Fe為體心立方點(diǎn)陣，致密度雖然較小，但是它的6.答案：在原子尺寸因素相近的情況下，上述元素在Ag中的固熔度(摩爾分?jǐn)?shù))受原子價(jià)因素的影響，即價(jià)電子濃度e/a是決定固熔度(摩爾分?jǐn)?shù))的一個(gè)重要因素。 它們的原子價(jià)分別為2，3，4，5價(jià)，Ag為1價(jià)，相應(yīng)的極限固熔度時(shí)的電子濃度可用公式 cZA(1-xB)ZBxB 計(jì)算，式中，ZA，ZB分別為A，B組元的價(jià)電子數(shù)；xB為B組元的摩爾分?jǐn)?shù)。上述元素在固溶度(摩爾分?jǐn)?shù))極限時(shí)

22、的電子濃度分別為1.43，1.42，1.39，1.31。返回6.答案：在原子尺寸因素相近的情況下，上述元素在Ag中的固熔第三章凝固 返回第三章凝固 返回一、名詞解釋1.過冷度2.成分過冷3.微觀偏析4.偏析5.能量起伏6.動(dòng)態(tài)過冷7.均勻形核返回答案答案答案答案答案答案答案一、名詞解釋1.過冷度返回答案答案答案答案答案答案答案1.過冷度理論熔點(diǎn)與實(shí)際結(jié)晶溫度的差值。 2.成分過冷合金凝固時(shí)由于液固界面前沿溶質(zhì)濃度分布不均勻，使其實(shí)際溫度低于其理論熔點(diǎn)而所造成的一種特殊過冷現(xiàn)象。 3.微觀偏析是在一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象。根據(jù)凝固時(shí)晶體生長(zhǎng)形態(tài)的不同，可分為枝晶偏析、胞狀偏析和晶界偏析。

23、4.偏析合金凝固時(shí)會(huì)發(fā)生溶質(zhì)原子重新再分配布，在非平衡凝固條件下，溶質(zhì)原子來(lái)不及重新分布，使得先后結(jié)晶的固相中成分不均勻，即為偏析。 返回1.過冷度返回 5.能量起伏系統(tǒng)中由于原子熱運(yùn)動(dòng)使每個(gè)微小區(qū)域內(nèi)的能量偏離系統(tǒng)平衡能量而此起彼伏的現(xiàn)象。 6.動(dòng)態(tài)過冷晶體生長(zhǎng)時(shí)，在液固相界面處的液體同樣需要過冷，以保證具有足夠大的生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力，這種過冷稱為動(dòng)態(tài)過冷，也稱界面界面過冷，其過冷程度用動(dòng)態(tài)過冷表示，即界面處液體的理論結(jié)晶溫度與界面實(shí)際溫度之差。 7.均勻形核在均一相中靠自身結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏等條件形成晶核。返回 5.能量起伏返回二、簡(jiǎn)答題1. 試述結(jié)晶相變的熱力學(xué)條件、動(dòng)力學(xué)條件、能量及結(jié)構(gòu)條件。

24、 2.什么叫臨界晶核？它的物理意義及與過冷度的定量關(guān)系如何？ 3. 試分析單晶體形成的基本條件。 返回答案答案答案二、簡(jiǎn)答題1. 試述結(jié)晶相變的熱力學(xué)條件、動(dòng)力學(xué)條件、能量及1. 分析結(jié)晶相變時(shí)系統(tǒng)自由能的變化可知， 結(jié)晶的熱力學(xué)條件為G0，才有GB0。即只有過冷，才能使G0。 動(dòng)力學(xué)條件為液固界面前沿液體的溫度TTm(熔點(diǎn))，即存在動(dòng)態(tài)過冷。 由臨界晶核形成功A1/3S可知，當(dāng)形成一個(gè)臨界晶核時(shí)，還有13的表面能必須由液體中的能量起伏來(lái)提供。液體中存在的結(jié)構(gòu)起伏，是結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生晶核的基礎(chǔ)。 因此，結(jié)構(gòu)起伏是結(jié)晶過程必須具備的結(jié)構(gòu)條件。 返回1. 分析結(jié)晶相變時(shí)系統(tǒng)自由能的變化可知，返回2.答案

25、：根據(jù)自由能與晶胚半徑的變化關(guān)系，可以知道 半徑rrk的晶胚才有可能成核； 而rrk的晶胚既可能消失，也可能穩(wěn)定長(zhǎng)大。 因此，半徑為rk的晶胚稱為臨界晶核。其物理意義是，過冷液體中涌現(xiàn)出來(lái)的短程有序的原子團(tuán)，當(dāng)其尺寸rrk時(shí)，這樣的原子團(tuán)便可成為晶核而長(zhǎng)大。臨界晶核半徑rk，其大小與過冷度有關(guān)，則有返回2.答案：根據(jù)自由能與晶胚半徑的變化關(guān)系，可以知道返回3.形成單晶體的基本條件是使液體金屬結(jié)晶時(shí)只產(chǎn)生一個(gè)核心(或只有一個(gè)核心能夠長(zhǎng)大)并長(zhǎng)大成單晶體。 返回3.形成單晶體的基本條件是使液體金屬結(jié)晶時(shí)只產(chǎn)生一個(gè)核心(或三、綜合題1. 鑄件組織有何特點(diǎn)？ 2.液體金屬凝固時(shí)都需要過冷，那么固態(tài)金屬

26、熔化時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)過熱，為什么？ 3.欲獲得金屬玻璃，為什么一般選用液相線很陡，從而有較低共晶溫度的二元系？4.比較說明過冷度、臨界過冷度、動(dòng)態(tài)過冷度等概念的區(qū)別。 5.分析純金屬生長(zhǎng)形態(tài)與溫度梯度的關(guān)系。 返回答案答案答案答案答案三、綜合題1. 鑄件組織有何特點(diǎn)？ 返回答案答案答案答案答案6.簡(jiǎn)述純金屬晶體長(zhǎng)大的機(jī)制。 7. 指出下列概念的錯(cuò)誤之處，并改正。 (1)所謂過冷度，是指結(jié)晶時(shí)，在冷卻曲線上出現(xiàn)平臺(tái)的溫度與熔點(diǎn)之差；而動(dòng)態(tài)過冷度是指結(jié)晶過程中，實(shí)際液相的溫度與熔點(diǎn)之差。 (2)金屬結(jié)晶時(shí)，原子從液相無(wú)序排列到固相有序排列，使體系熵值減少，因此是一個(gè)自發(fā)過程。 (3)在任何溫度下，液體

27、金屬中出現(xiàn)的最大結(jié)構(gòu)起伏都是晶胚。 (4) 在任何溫度下，液相中出現(xiàn)的最大結(jié)構(gòu)起伏都是核。返回答案答案答案答案答案6.簡(jiǎn)述純金屬晶體長(zhǎng)大的機(jī)制。 返回答案答案答案答案答案 (5)所謂臨界晶核，就是體系自由能的減少完全補(bǔ)償表面自由能的增加時(shí)的晶胚的大小。 (6)在液態(tài)金屬中，凡是涌現(xiàn)出小于臨界晶核半徑的晶胚都不能成核，但是只要有足夠的能量起伏提供形核功，還是可以成核的。 (7)測(cè)定某純金屬鑄件結(jié)晶時(shí)的最大過冷度，其實(shí)測(cè)值與用公式T=0.2Tm計(jì)算值基本一致。 (8)某些鑄件結(jié)晶時(shí)，由于冷卻較快，均勻形核率N1提高，非均勻形核率N2也提高，故總的形核率為N= N1 +N2。返回答案答案答案答案 (

28、5)所謂臨界晶核，就是體系自由能的減少完全補(bǔ)償表面自 (9)若在過冷液體中，外加10 000顆形核劑，則結(jié)晶后就可以形成10 000顆晶粒。 (10) 從非均勻形核功的計(jì)算公式A非A均中可以看出，當(dāng)潤(rùn)濕角00時(shí)，非均勻形核的形核功最大。 (11) 為了生產(chǎn)一批厚薄懸殊的砂型鑄件，且要求均勻的晶粒度，則只要在工藝上采取加形核劑就可以滿足。 (12) 非均勻形核總是比均勻形核容易，因?yàn)榍罢呤且酝饧淤|(zhì)點(diǎn)為結(jié)晶核心，不象后者那樣形成界面，而引起自由能的增加。返回答案答案答案答案 (9)若在過冷液體中，外加10 000顆形核劑，則結(jié) (13) 在研究某金屬細(xì)化晶粒工藝時(shí)，主要尋找那些熔點(diǎn)低、且與該金屬晶

29、格常數(shù)相近的形核劑，其形核的催化效能最高。 (14) 純金屬生長(zhǎng)時(shí)，無(wú)論液固界面呈粗糙型或者是光滑型，其液相原子都是一個(gè)一個(gè)地沿著固相面的垂直方向連接上去。 (15) 無(wú)論溫度如何分布，常用純金屬生長(zhǎng)都是呈樹枝狀界面。 (16) 氮化銨和水溶液與純金屬結(jié)晶終了時(shí)的組織形態(tài)一樣，前者呈樹枝晶，后者也呈樹枝晶。返回答案答案答案答案 (13) 在研究某金屬細(xì)化晶粒工藝時(shí)，主要尋找那些熔點(diǎn) (17) 人們是無(wú)法觀察到極純金屬的樹枝狀生長(zhǎng)過程，所以關(guān)于樹枝狀的生長(zhǎng)形態(tài)僅僅是一種推理。 (18) 液體純金屬中加入形核劑，其生長(zhǎng)形態(tài)總是呈樹枝狀。 (19) 純金屬結(jié)晶時(shí)若呈垂直方式長(zhǎng)大，其界面時(shí)而光滑，時(shí)而

30、粗糙，交替生長(zhǎng)。 (20) 從宏觀上觀察，若液固界面是平直的稱為光滑界面結(jié)構(gòu)，若是金屬鋸齒形的稱為粗糙界面結(jié)構(gòu)。 (21) 純金屬結(jié)晶時(shí)以樹枝狀形態(tài)生長(zhǎng)，或以平面狀形態(tài)生長(zhǎng)，與該金屬的熔化熵?zé)o關(guān)。返回答案答案答案答案 (17) 人們是無(wú)法觀察到極純金屬的樹枝狀生長(zhǎng)過程，所 (22) 金屬結(jié)晶時(shí)，晶體長(zhǎng)大所需要的動(dòng)態(tài)過冷度有時(shí)還比形核所需要的臨界過冷度大。返回答案 (22) 金屬結(jié)晶時(shí)，晶體長(zhǎng)大所需要的動(dòng)態(tài)過冷度有時(shí)還比1.在鑄錠組織中，一般有三層晶區(qū)： （1）最外層細(xì)晶區(qū)。其形成是由于模壁的溫度較低，液體的過冷度交大，因此形核率較高。 （2）中間為柱狀晶區(qū)。其形成是由于模壁的溫度升高，晶核的成

31、長(zhǎng)速率大于晶核的形核率，且沿垂直于模壁風(fēng)向的散熱較為有利。在細(xì)晶區(qū)中取向有利的晶粒優(yōu)先生長(zhǎng)為柱狀。 （3）中心為等軸晶區(qū)。其形成是由于模壁溫度進(jìn)一步升高，液體過冷度進(jìn)一步降低，剩余液體的散熱方向性已不明顯，處于均勻冷卻狀態(tài)；同時(shí)，未熔雜質(zhì)、破斷枝晶等易集中于剩余液體中，這些都促使了等軸晶的形成。 應(yīng)該指出，鑄錠的組織并不是都具有3層晶區(qū)。由于凝固條件的不同，也會(huì)形成在鑄錠中只有某一種晶區(qū)，或只有某兩種晶區(qū)。返回1.在鑄錠組織中，一般有三層晶區(qū)：返回2.返回2.返回3. 答案：金屬玻璃是通過超快速冷卻的方法，抑制液固結(jié)晶過程，獲得性能異常的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。 玻璃是過冷的液體。這種液體的黏度大，原子遷

32、移性小，因而難于結(jié)晶，如高分子材料(硅酸鹽、塑料等)在一般的冷卻條件下，便可獲得玻璃態(tài)。 金屬則不然。由于液態(tài)金屬的黏度低，冷到液相線以下便迅速結(jié)晶，因而需要很大的冷卻速度(估計(jì)1010s)才能獲得玻璃態(tài)。為了在較低的冷速下獲得金屬玻璃，就應(yīng)增加液態(tài)的穩(wěn)定性，使其能在較寬的溫度范圍存在。 實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)液相線很陡從而有較低共晶溫度時(shí)，就能增加液態(tài)的穩(wěn)定性，故選用這樣的二元系(如FeB，F(xiàn)eC，hP，F(xiàn)eSi等)。為了改善性能，可以加入一些其他元素(如Ni，Mo，Cr，Co等)。返回3. 答案：金屬玻璃是通過超快速冷卻的方法，抑制液固結(jié)晶過4.答案：實(shí)際結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度之間的溫度差，稱為過冷

33、度(TTm一Tn)。 它是相變熱力學(xué)條件所要求的，只有AT0時(shí)，才能造成固相的自由能低于液相自由能的條件，液、固相間的自由能差便是結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力。 過冷液體中，能夠形成等于臨界晶核半徑的晶胚時(shí)的過冷度，稱為臨界過冷度(T*)。 顯然，當(dāng)實(shí)際過冷度TT*時(shí)，才能均勻形核。 所以，臨界過冷度是形核時(shí)所要求的。晶核長(zhǎng)大時(shí)，要求液固界面前沿液體中有一定的過冷，才能滿足 (dNdt)F(dNdt)M， 這種過冷稱為動(dòng)態(tài)過冷度(TkTm一Ti)，它是晶體長(zhǎng)大的必要條件。返回4.答案：實(shí)際結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度之間的溫度差，稱為過冷度5.純金屬生長(zhǎng)形態(tài)是指晶體宏觀長(zhǎng)大時(shí)界面的形貌。界面形貌取決于界面前沿液體中

34、的溫度分布。 (1) 平面狀長(zhǎng)大：當(dāng)液體具有正溫度梯度時(shí)，晶體以平直界面方式推移長(zhǎng)大。 此時(shí)，界面上任何偶然的、小的凸起伸入液體時(shí)，都會(huì)使其過冷度減小，長(zhǎng)大速率降低或停止長(zhǎng)大，而被周圍部分趕上，因而能保持平直界面的推移。 長(zhǎng)大中晶體沿平行溫度梯度的方向生長(zhǎng)，或沿散熱的反方向生長(zhǎng)，而其他方向的生長(zhǎng)則受到抑制。 返回5.純金屬生長(zhǎng)形態(tài)是指晶體宏觀長(zhǎng)大時(shí)界面的形貌。界面形貌取決 (2) 樹枝狀長(zhǎng)大：當(dāng)液體具有負(fù)溫度梯度時(shí)，在界面上若形成偶然的凸起伸入前沿液體時(shí)，由于前方液體有更大的過冷度，有利于晶體長(zhǎng)大和凝固潛熱的散失，從而形成枝晶的一次軸。 一個(gè)枝晶的形成，其潛熱使鄰近液體溫度升高，過冷度降低，因

35、此，類似的枝晶只在相鄰一定間距的界面上形成，相互平行分布。在一次枝晶處的溫度比枝晶間溫度要高，如附圖27(a)中所示的AA斷面上丁A丁n，這種負(fù)溫度梯度使一次軸上又長(zhǎng)出二次軸分枝，如附圖2.7(b)所示。 同樣，還會(huì)產(chǎn)生多次分枝。枝晶生長(zhǎng)的最后階段，由于凝固潛熱放出，使枝晶周圍的液體溫度升高至熔點(diǎn)以上，液體中出現(xiàn)正溫度梯度，此時(shí)晶體長(zhǎng)大依靠平界面方式推進(jìn)，直至枝晶間隙全部被填滿為止。返回 (2) 樹枝狀長(zhǎng)大：當(dāng)液體具有負(fù)溫度梯度時(shí)，在界6.晶體長(zhǎng)大機(jī)制是指晶體微觀長(zhǎng)大方式，它與液固界面結(jié)構(gòu)有關(guān)。 具有粗糙界面的物質(zhì)，因界面上約有50的原子位置空著，這些空位都可接受原子，故液體原子可以單個(gè)進(jìn)入空

36、位，與晶體相連接，界面沿其法線方向垂直推移，呈連續(xù)式長(zhǎng)大。 具有光滑界面的晶體長(zhǎng)大，不是單個(gè)原子的附著，而是以均勻形核的方式，在晶體學(xué)小平面界面上形成一個(gè)原子層厚的二維晶核與原界面間形成臺(tái)階，單個(gè)原子可以在臺(tái)階上填充，使二維晶核側(cè)向長(zhǎng)大，在該層填滿后，則在新的界面上形成新的二維晶核，繼續(xù)填滿，如此反復(fù)進(jìn)行。若晶體的光滑界面存在有螺型位錯(cuò)的露頭，則該界面成為螺旋面，并形成永不消失的臺(tái)階，原子附著到臺(tái)階上使晶體長(zhǎng)大。返回6.晶體長(zhǎng)大機(jī)制是指晶體微觀長(zhǎng)大方式，它與液固界面結(jié)構(gòu)有關(guān)7.答案： (1)在冷卻曲線上出現(xiàn)的實(shí)際結(jié)晶溫度與熔點(diǎn)之差液-固界面前沿液態(tài)中的溫度與熔點(diǎn)之差。(2)使體系自由能減小(3

37、)在過冷液體中，液態(tài)金屬中出現(xiàn)的(4)在一定過冷度下(5)就是體系自由能的減少能夠補(bǔ)償23表面自由能(6)不能成核，即便是有足夠的能量起伏提供，還是不能成核。(7)測(cè)定某純金屬均勻形核時(shí)的有效過冷度(8)那么總的形核率NN2。(9)則結(jié)晶后就可以形成數(shù)萬(wàn)顆晶粒。(10)非均勻形核的形核功最小。(11)則只要在工藝上采取對(duì)厚處加快冷卻(如加冷鐵)就可以滿足。(12)因?yàn)榍罢呤且酝饧淤|(zhì)點(diǎn)為基底，形核功小返回7.答案：返回(13)主要尋找那些熔點(diǎn)高，且(14)若液固界面呈粗糙型，則其液相原子(15)只有在負(fù)溫度梯度條件下，常用純金屬(16)結(jié)晶終了時(shí)的組織形態(tài)不同，前者呈樹枝晶(枝間是水)，后者呈一

38、個(gè)個(gè)(塊狀)晶粒。(17)生長(zhǎng)過程，但可以通過實(shí)驗(yàn)方法，如把正在結(jié)晶的金屬剩余液體倒掉，或者整體淬火等進(jìn)行觀察，所以關(guān)于樹枝狀生長(zhǎng)形態(tài)不是一種推理。(18)其生長(zhǎng)形態(tài)不會(huì)發(fā)生改變。(19)其界面是粗糙型的。(20)平直的稱為粗糙界面結(jié)構(gòu)鋸齒形的稱為平滑界面結(jié)構(gòu)。(21)因還與液固界面的結(jié)構(gòu)有關(guān)，即與該金屬的熔化熵有關(guān)。(22)增加，但因金屬的過冷能力小，故不會(huì)超過某一極大值 返回(13)主要尋找那些熔點(diǎn)高，且返回第四章相圖 返回第四章相圖 返回一、名詞解釋1.相變 2.相 3.組織4.組織組成物 5.相圖 6.離異共晶 7.偽共晶8.杠桿定理返回答案答案答案答案答案答案答案答案一、名詞解釋1.

39、相變 返回答案答案答案答案答案答案答案答案1.相變從一個(gè)相變成另一個(gè)相的過程。 2.相體系中具有相同的物理化學(xué)性質(zhì)的均勻部分。 3.組織指的是在外界因素、成分等一定的情況下，組成合金的不同成分、結(jié)構(gòu)和性能的相的總體。4.組織組成物組織組成物是具有特定組織形態(tài)的某一相變的產(chǎn)物，它可以是單相，也可以由多相組成。5.相圖以圖的形式表示在平衡狀態(tài)下，物相與材料的組分和外界條件的關(guān)系。 返回1.相變返回6.離異共晶成分遠(yuǎn)離共晶點(diǎn)的亞共晶或過共晶在結(jié)晶時(shí)，若初晶數(shù)量較多而共晶數(shù)量較少，組成共晶的兩相有時(shí)會(huì)發(fā)生分離，其中與初晶相同的相往往依附與初晶上生長(zhǎng)，而另一相沿初晶的邊界分布，將這種兩相分離的共晶組織稱

40、為離異共晶。 7.偽共晶在不平衡結(jié)晶的條件下，非共晶成分的合金在冷卻速度足夠快時(shí)，將直接過冷到相圖的共晶線以下的偽共晶區(qū)，從而全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿ЫM織，這種共晶稱為偽共晶。 8.杠桿定理 在合金相圖的兩相區(qū)中，平衡兩相的成分點(diǎn)與合金的成分點(diǎn)位于一條直線上，前者為杠桿的端點(diǎn)，后者為杠桿的支點(diǎn)，平衡兩相的相對(duì)量與支點(diǎn)到相應(yīng)相端點(diǎn)的線段成反比。 返回6.離異共晶返回二、綜合題1.在圖430所示相圖中，請(qǐng)指出： (1) 水平線上反應(yīng)的性質(zhì)； (2) 各區(qū)域的組織組成物； (3) 分析合金I，II的冷卻過程； (4) 合金工，II室溫時(shí)組織組成物的相對(duì)量表達(dá)式。返回答案二、綜合題1.在圖430所示相圖中，請(qǐng)指

41、出：返回答案2.固溶體合金的相圖如下圖所示，試根據(jù)相圖確定：成分為(B)=40%的合金首 先凝固出來(lái)的固體成分;若首先凝固出來(lái)的固體成分含 (B)=60%，合金的成分為多少?成分為(B)=70%寫的合金最后 凝固的液體成分;合金成分為(B)=50%，凝固到某 溫度時(shí)液相含有(B)=40%，固體含有(B)=80%，此時(shí)液體和固體各占多少?返回答案2.固溶體合金的相圖如下圖所示，試根據(jù)相圖確定：返回答案3.證明固溶體合金凝固時(shí)，因成分過冷而產(chǎn)生的最大過冷度為： 最大過冷度離液固界面的距離為：式中m 液相線斜率；CoCu 合金成分；K 平衡分配系數(shù)； G 溫度梯度；D 擴(kuò)散系數(shù)；R 凝固速率。說明：

42、液體中熔質(zhì)分布曲線可表示為：返回答案3.證明固溶體合金凝固時(shí)，因成分過冷而產(chǎn)生的最大過冷度為： 4.指出下列相圖中的錯(cuò)誤，并加以改正。 返回答案4.指出下列相圖中的錯(cuò)誤，并加以改正。 返回答案5. 根據(jù)圖7-8所示的Fe-Fe3C相圖，分別求(C)=2.11%，(C)=30%的二次滲碳體的析出量。 畫出(C) =4. 3%的冷卻曲線。返回答案5. 根據(jù)圖7-8所示的Fe-Fe3C相圖，分別求(C)6. A1-Cu合金相圖如圖7-13所示，設(shè)分配系數(shù)K和液相線斜率均為常數(shù)，試求: (Cu)=1%固溶體進(jìn)行緩慢的正常凝固，當(dāng)凝固分?jǐn)?shù)為50%時(shí)所凝固出的固體成分; 經(jīng)過一次區(qū)域熔化后在x-5處的固體

43、成分，取熔區(qū)寬度L=0.5; 測(cè)得鑄件的凝固速率R = 310-4 cm/s，溫度梯度G= 30/cm，擴(kuò)散系數(shù)D= 310-5 cm/s時(shí)，合金凝固時(shí)能保持平面界面的最大含銅量。返回答案6. A1-Cu合金相圖如圖7-13所示，設(shè)分配系數(shù)K和液相7. 根據(jù)圖7-9所示的A1-Si共晶相圖，試分析圖中(a)，(b)，(c)3個(gè)金相組織屬什么成分并說明理由。指出細(xì)化此合金鑄態(tài)組織的途徑。返回答案7. 根據(jù)圖7-9所示的A1-Si共晶相圖，試分析圖中(a) 8. 青銅( Cu-Sn)和黃銅C Cu-fin)相圖如圖7-15(a)，(b)所示:敘述Cu-10% Sn合金的不平衡冷卻過程，并指出室溫時(shí)

44、的金相組織。比較Cu-10% Sn合金鑄件和Cu-30%合金鑄件的鑄造性能及鑄造組織，說明Cu-10% Sn合金鑄件中有許多分散砂眼的原因。 (Sn分別為2%，11%和15%的青銅合金，哪一種可進(jìn)行壓力加工?哪種可利用鑄造法來(lái)制造機(jī)件?答案返回 8. 青銅( Cu-Sn)和黃銅C Cu-fin)相9.如下圖所示，已知A，B，C三組元固態(tài)完全不互溶，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別84%A,，10%B，10%C的O合金在冷卻過程中將進(jìn)行二元共晶反應(yīng)和三元共晶反應(yīng)，在二元共晶反應(yīng)開始時(shí)，該合金液相成分(a點(diǎn))為60%A，20%B，20%C，而三元共晶反應(yīng)開始時(shí)的液相成分(E點(diǎn))為50%A，10%B，40%C。 試計(jì)算

45、A%，(A-+-B)%和(A+B+C)%的相對(duì)量。 寫出圖中I和P合金的室溫平衡組織。返回答案9.如下圖所示，已知A，B，C三組元固態(tài)完全不互溶，質(zhì)量分?jǐn)?shù)10. 根據(jù)下圖所示，Al-Mg-Mn系富Al一角的投影圖， 寫出圖中兩個(gè)四相反應(yīng)。 寫出圖中合金和的凝固過程。答案返回10. 根據(jù)下圖所示，Al-Mg-Mn系富Al一角的投影圖，1.答案： (1)高溫區(qū)水平線為包晶線，包晶反應(yīng)： Lj+kn 中溫區(qū)水平線為共晶線，共晶反應(yīng)： Ldg+h (2)各區(qū)域組織組成物如圖430中所示。 (3)I合金的冷卻曲線和結(jié)晶過程如附圖2.9所示。 返回12，均勻的液相L。 23勻晶轉(zhuǎn)變，L不斷結(jié)晶出相。 33

46、，發(fā)生包品反應(yīng)L+。 34，剩余液相繼續(xù)結(jié)晶為。 4，凝固完成，全部為。 45，為單一相，無(wú)變化。 56，發(fā)生脫溶轉(zhuǎn)變II。室溫下的組織為+II。 1.答案： (1)高溫區(qū)水平線為包晶線，包晶反應(yīng)： 返回（4）II合金的冷卻曲線和結(jié)晶過程如附圖2.10所示。 12，均勻的液相L。 23，結(jié)晶出初，隨溫度下降相不斷析出，液相不斷減少。 33，剩余液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變L+。 34，II，II，室溫下的組織為。初+（+）共+II (4)室溫時(shí)，合金I、II組織組成物的相對(duì)量可由杠桿定律求得。 合金I： 合金II： 返回（4）II合金的冷卻曲線和結(jié)晶過程如附圖2.10所示。2. 在合金成分線與液相線相交點(diǎn)

47、作水平線，此線與固相線 交點(diǎn)的合金成分即為首先凝固出來(lái)的固體成分:80%B。 作60%B垂直線與a固相線相交點(diǎn)的水平線，此線與液相線 L相交點(diǎn)的成分即為合金成分:15%B。 原理同上:合金成分20%B。 利用杠桿定律:返回2. 返回3.設(shè)純?nèi)軇┙M元A的熔點(diǎn)為TA，液相線與固相線近似為直線，則離界面距離x處液相線溫度TL為： 但在x處液相的實(shí)際溫度T如附圖2.8所示，應(yīng)為： 返回因?yàn)槿苜|(zhì)分布而產(chǎn)生的成分過冷為： 將（4）代入（3）得： 3.設(shè)純?nèi)軇┙M元A的熔點(diǎn)為TA，液相線與固相線近似為直線，則 4. 1）任何溫度下所作的連接線兩端必須分別相交于液相線和固相線，不能相交于單一液相線或單一固相線。

48、 2）A組元的凝固溫度恒定，所以液、固相線在A成分處相交于一點(diǎn)。 3）在兩元系的三相平衡反應(yīng)中，三相的成分是惟一的。 4）在兩元系只能出現(xiàn)三相平衡反應(yīng)。返回 4. 1）任何溫度下所作的連接線兩端必須分別相交于液相5.返回5.返回6.根據(jù)已知條件，由相圖解得： 返回6.根據(jù)已知條件，由相圖解得： 返回返回返回7. (1) 共晶組織，因?yàn)閮上嘟惶嫔舍槧罱M織， 過共晶組織，因?yàn)槌跎酁橛行】堂鎵K晶形，應(yīng)為非金屬結(jié)晶特征，故此過共晶合金的初生相為Si。 亞共晶組織，因?yàn)槌跎酁闃渲?，?yīng)為金屬結(jié)晶特征，故為亞共晶合金的初生相(Al)固溶體。 (2)可采用變質(zhì)劑(鈉鹽)或增加冷卻速率來(lái)細(xì)化Al-Si合

49、金的鑄態(tài)組織。返回7. (1) 共晶組織，因?yàn)閮上嘟惶嫔舍槧罱M織，返回8. 在不平衡凝固條件下，首先將形成樹枝狀的晶體；隨著凝固的進(jìn)行，當(dāng)液體中溶質(zhì)富集處達(dá)到包晶成分時(shí)，將產(chǎn)生包晶轉(zhuǎn)變：L+，從而在枝晶間形成相;如果冷速不是特別快，可能繼續(xù)冷卻至586時(shí)發(fā)生共析反應(yīng)：+，甚至冷卻至520時(shí)再次發(fā)生共析反應(yīng)：+。 因此鑄件的最后組織將是在a的枝晶間分布著相，或者分布著（+）共析體，也可能為共析體（+）。 Cu-30%Zn合金的凝固溫度范圍窄，不容易產(chǎn)生寬的成分過冷區(qū)，即以“殼狀”方式凝固，液體的流動(dòng)性好，易補(bǔ)縮，容易獲得致密的鑄件，鑄件組織主要為平行排列的柱狀晶。 Cu-10%Zn合金具有寬的

50、凝固溫度范圍，容易形成寬的成分過冷區(qū)，即以“糊狀”方式凝固，液體的流動(dòng)性差，不易補(bǔ)縮，這是使鑄件產(chǎn)生分散砂眼的主要原因，鑄件的致密性差，鑄件組織主要由樹枝狀柱狀晶和中心等軸晶組成。 Cu-2%Sn合金為單相組織，塑性好，易于進(jìn)行壓力加工；Cu-11% Sn， Cu-15% Sn合金的鑄態(tài)組織中含有硬而質(zhì)脆的中間相組織，不易塑性變形，適合用于鑄造法來(lái)制造耐磨機(jī)件。返回8. 在不平衡凝固條件下，首先將形成樹枝狀的晶體；隨著凝9.返回9.返回10. 1)在P點(diǎn)發(fā)生的反應(yīng)：L+MnAl3MnAl4+Mg5Al8 在E1點(diǎn)發(fā)生的反應(yīng)：LAl+MnAl4+Mg5Al8 2)成分的合金冷卻時(shí)首先結(jié)晶出Al，

51、然后剩余液相成分達(dá)到ET點(diǎn)，發(fā)生LAl+MnAl4+Mg5Al8三元共晶反應(yīng)。 3)成分的合金冷卻時(shí)首先結(jié)晶出Mg5Al8，隨后發(fā)生LMnAl3+Mg5Al8的共晶反應(yīng)。 這合金繼續(xù)冷卻剩余液相成分達(dá)到P點(diǎn)，經(jīng)過第一個(gè)四相平面，發(fā)生L+MnAl3MnAl4+Mg5Al8四相反應(yīng)，反應(yīng)后余下L+MnAl4+Mg5Al8三相，當(dāng)液相成分從P點(diǎn)到達(dá)ET發(fā)生LAl+MnAl4+Mg5Al8四相反應(yīng)(第二個(gè)四相平面)，最后進(jìn)人Al+MnAl4+Mg5Al8三相區(qū)直至室溫。返回10. 1)在P點(diǎn)發(fā)生的反應(yīng)：L+MnAl3MnAl4+M第五章材料中的擴(kuò)散 返回第五章材料中的擴(kuò)散 返回一、名詞解釋1.上坡擴(kuò)散

52、2.柯肯達(dá)爾效應(yīng) 3.菲克第一定律 4.自擴(kuò)散 5.反應(yīng)擴(kuò)散 返回答案答案答案答案答案一、名詞解釋1.上坡擴(kuò)散返回答案答案答案答案答案1.上坡擴(kuò)散在化學(xué)位梯度的推動(dòng)下，溶質(zhì)由低濃度的地方向高濃度的地方擴(kuò)散的現(xiàn)象。2.柯肯達(dá)爾效應(yīng)在置換固溶體中由于兩組元的原子以不同速率相對(duì)擴(kuò)散而引起標(biāo)記面漂移的現(xiàn)象。3.菲克第一定律 在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直擴(kuò)散方向的單位截面積的擴(kuò)散物質(zhì)與該截面處的濃度梯度成正比。 4.自擴(kuò)散純物質(zhì)晶體中擴(kuò)散稱自擴(kuò)散。 5.反應(yīng)擴(kuò)散伴有相變發(fā)生的擴(kuò)散。 返回1.上坡擴(kuò)散返回二、簡(jiǎn)答題1.為什么鋼鐵零件滲碳溫度一般要選擇相區(qū)中進(jìn)行？若不在相區(qū)進(jìn)行會(huì)有什么結(jié)果？ 2.三元系發(fā)生擴(kuò)散時(shí)，

53、擴(kuò)散層內(nèi)能否出現(xiàn)兩相共存區(qū)域，三相共存區(qū)？為什么？返回答案答案二、簡(jiǎn)答題1.為什么鋼鐵零件滲碳溫度一般要選擇相區(qū)中進(jìn)行？1. 因-Fe中的最大碳熔解度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))只有0.0218，對(duì)于含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.0218的鋼鐵在滲碳時(shí)零件中的碳濃度梯度為零，滲碳無(wú)法進(jìn)行，即使是純鐵，在相區(qū)滲碳時(shí)鐵中濃度梯度很小，在表也不能獲得高含碳層； 另外，由于溫度低，擴(kuò)散系數(shù)也很小，滲碳過程極慢，沒有實(shí)際意義。-Fe中的碳固溶度高，滲碳時(shí)在表層可獲得較高的碳濃度梯度使?jié)B碳順利進(jìn)行。返回1. 因-Fe中的最大碳熔解度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))只有0.0212.三元系擴(kuò)散層內(nèi)不可能存在三相共存區(qū)，但可以存在兩相共存區(qū)。 原因如下：

54、三元系中若出現(xiàn)三相平衡共存，其二相中成分一定且不同相中同一組分的化學(xué)位相等，化學(xué)位梯度為零，擴(kuò)散不可能發(fā)生。 三元系在兩相共存時(shí)，由于自由度數(shù)為2，在溫度一定時(shí)，其組成相的成分可以發(fā)生變化，使兩相中相同組元的原子化學(xué)位平衡受到破壞，引起擴(kuò)散。返回2.三元系擴(kuò)散層內(nèi)不可能存在三相共存區(qū)，但可以存在兩相共存區(qū)三、綜合題1.以空位機(jī)制進(jìn)行擴(kuò)散時(shí)，原子每次跳動(dòng)一次相當(dāng)于空位反向跳動(dòng)一次，并未形成新的空位，而擴(kuò)散激活能中卻包含著空位形成能，此說法是否正確？請(qǐng)給出正確解釋。2.指出以下概念中的錯(cuò)誤。 （1）如果固溶體中不存在擴(kuò)散流，則說明原子沒有擴(kuò)散 （2）因固體原子每次跳動(dòng)方向是隨機(jī)的，所以在沒有任何擴(kuò)

55、散情況下擴(kuò)散通量為零。 （3）晶界上原子排列混亂，不存在空位，所以空位機(jī)制擴(kuò)散的原子在晶界處無(wú)法擴(kuò)散。 （4）間隙固溶體中溶質(zhì)濃度越高，則溶質(zhì)所占的間隙越多，供擴(kuò)散的空余間隙越少，即z值越小，導(dǎo)致擴(kuò)散系數(shù)下降。 （5）體心立方比面心立方的配位數(shù)要小，故由關(guān)系式可見，F(xiàn)e中原子擴(kuò)散系數(shù)要小于Fe中的擴(kuò)散系數(shù)。返回答案答案三、綜合題1.以空位機(jī)制進(jìn)行擴(kuò)散時(shí)，原子每次跳動(dòng)一次相當(dāng)于空3.一塊(C)=0.1%的碳鋼在930滲碳，滲到0.05cm的地方，碳的濃度達(dá)到0.45%。在t0的全部時(shí)間，滲碳?xì)夥毡３直砻娉煞譃?%，假設(shè) DC=2.010-5exp(-14000/RT)(m2/s)， 計(jì)算滲碳時(shí)間

56、。 若將滲層加深1倍，則需多長(zhǎng)時(shí)間? 若規(guī)定(C)=0.3%作為滲碳層厚度的量度，則在930時(shí)滲碳10h的滲層厚度為870時(shí)滲碳10h的多少倍? 4. 在950下對(duì)純鐵進(jìn)行滲碳，并希望在0.1mm的深度得到 (C)=0.9%的碳含量。假設(shè)表面碳含量保持在 (C)2=1.20%，擴(kuò)散系數(shù)D-Fe=10-10m2/s。計(jì)算為達(dá)到此要求至少要滲碳多少時(shí)間。 返回答案答案3.一塊(C)=0.1%的碳鋼在930滲碳，滲到0.055.有兩種激活能分別為Q1=83.7kJ/mol和Q2=251kJ/mol的擴(kuò)散反應(yīng)。觀察在溫度從25高到60對(duì)這兩種擴(kuò)散的影響，并對(duì)結(jié)果做出評(píng)述。6.如下圖所示，利用Fe-O相

57、圖分析純鐵在1000氧化時(shí)氧化層內(nèi)的不同組織與氧的濃度分布規(guī)律，畫出示意圖。 返回答案答案5.有兩種激活能分別為Q1=83.7kJ/mol和Q2=257. 已知A1在Al2O3中擴(kuò)散系數(shù)D0 (Al)=2.810-3m2/s，激活能477kJ/ mol，而氧在Al2O3中的D0(O)=0.19m2/s，Q=636kJ/mol。 分別計(jì)算二者在2000K溫度下的擴(kuò)散系數(shù)D。 說明它們擴(kuò)散系數(shù)不同的原因。返回答案7. 已知A1在Al2O3中擴(kuò)散系數(shù)D0 (Al)=2.81.此說法不正確。固體中的宏觀擴(kuò)散流不是單個(gè)原子定向跳動(dòng)的結(jié)果，擴(kuò)散激活能也不是單個(gè)原子遷：移時(shí)每一次跳動(dòng)需越過的能壘，固體中原子

58、的跳動(dòng)具有隨機(jī)性質(zhì)，擴(kuò)散流是固體中擴(kuò)散物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)(如原子，離子)隨機(jī)跳動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果的宏觀體現(xiàn)，當(dāng)晶體中的擴(kuò)散以空位機(jī)制進(jìn)行時(shí)，晶體中任何一個(gè)原子在兩個(gè)平衡位置之間發(fā)生跳動(dòng)必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件： (1)該原子具有的能量必須高于某一臨界值Gf，即原子跳動(dòng)激活能，以克服阻礙跳動(dòng)的阻力； (2)該原子相鄰平衡位置上存在空位。 根據(jù)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)理論，在給定溫度T下，晶體中任一原子的能量高于Gf 的幾率Pf，即晶體中能量高于Gf的原子所占原子百分?jǐn)?shù)為 而晶體中的平衡空位濃度Cv，即任一原子平衡位置出現(xiàn)空位的幾率Pv，為 顯然，某一瞬間晶體中原子發(fā)生一次跳動(dòng)的幾率為 P也等于該瞬間發(fā)生跳動(dòng)原子所占的原子百分?jǐn)?shù)。

59、其中QGfGv，就是空位擴(kuò)散機(jī)制的擴(kuò)散激活能。 返回1.此說法不正確。固體中的宏觀擴(kuò)散流不是單個(gè)原子定向跳動(dòng)的結(jié)2.(1) 固體中即使不存在宏觀擴(kuò)散流，但由于原子熱振動(dòng)的遷移跳躍，擴(kuò)散仍然存在。純物質(zhì)中的自擴(kuò)散即是一個(gè)典型例證。(2)原子每次跳動(dòng)方向是隨機(jī)的。只有當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，原子在任一跳動(dòng)方向上的跳動(dòng)幾率才是相等的。此時(shí)雖存在原子的遷移(即擴(kuò)散)，但沒有宏觀擴(kuò)散流。如果系統(tǒng)處于非平衡狀態(tài)，系統(tǒng)中必然存在熱力學(xué)勢(shì)的梯度(具體可表示為濃度梯度、化學(xué)位梯度、應(yīng)變能梯度等)。原子在熱力學(xué)勢(shì)減少的方向上的跳動(dòng)幾率將大于在熱力學(xué)勢(shì)增大方向上的跳動(dòng)幾率。于是就出現(xiàn)了宏觀擴(kuò)散流。(3)晶界上原子排列

60、混亂，與非晶體相類似，其原子堆積密集程度遠(yuǎn)不及晶粒內(nèi)部，因而對(duì)原子的約束能力較弱，晶界原子的能量及振動(dòng)頻率明顯高于晶內(nèi)原子。所以晶界處原子具有更高的遷移能力。晶界擴(kuò)散系數(shù)也罷明顯鬲于晶內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)。(4)事實(shí)上這種情況不可能出現(xiàn)。間隙固熔體的熔質(zhì)原子固熔度十分有限。即使是達(dá)到過飽合狀態(tài)，溶質(zhì)原子數(shù)目要比晶體中的間隙總數(shù)要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，在間隙原子的跳動(dòng)幾率。于是就出現(xiàn)了宏觀擴(kuò)散流。周圍的間隙位置可看成都是空的。即對(duì)于給定晶體結(jié)構(gòu)，z為一個(gè)常數(shù)。(5)雖然體心立方晶體的配位數(shù)小，但其屬于非密堆結(jié)構(gòu)。與密堆結(jié)構(gòu)的面心立方晶體相比較，公式中的相關(guān)系數(shù)f值相差不大(0.72和0.78)，但原子間距大