中南大學(xué) 材料科學(xué)基礎(chǔ) 課后習(xí)題答案.doc
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第一章 原子排列與晶體結(jié)構(gòu) 1. [110], (111), ABCABC…, 0.74 , 12 , 4 , ; [111], (110) , 0.68 , 8 , 2 , ; , (0001) , ABAB , 0.74 , 12 , 6 , 。 2. 0.01659nm3 , 4 , 8 。 3. FCC , BCC ,減少 ,降低 ,膨脹 ,收縮 。 4. 解答:見圖1-1 5. 解答:設(shè)所決定的晶面為(hkl),晶面指數(shù)與面上的直線[uvw]之間有hu+kv+lw=0,故有: h+k-l=0,2h-l=0??梢郧蟮茫╤kl)=(112)。 6 解答:Pb為fcc結(jié)構(gòu),原子半徑R與點(diǎn)陣常數(shù)a的關(guān)系為,故可求得a=0.494910-6mm。則(100)平面的面積S=a2=0.2449260110-12mm2,每個(gè)(100)面上的原子個(gè)數(shù)為2。 所以1 mm2上的原子個(gè)數(shù)=4.081012。 第二章 合金相結(jié)構(gòu) 一、 填空 1) 提高,降低,變差,變大。 2) (1)晶體結(jié)構(gòu);(2)元素之間電負(fù)性差;(3)電子濃度 ;(4)元素之間尺寸差別 3) 存在溶質(zhì)原子偏聚 和短程有序 。 4) 置換固溶體 和間隙固溶體 。 5) 提高 ,降低 ,降低 。 6) 溶質(zhì)原子溶入點(diǎn)陣原子溶入溶劑點(diǎn)陣間隙中形成的固溶體,非金屬原子與金屬原子半徑的比值大于0.59時(shí)形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的化合物。 二、 問答 1、 解答: a-Fe 為bcc結(jié)構(gòu),致密度雖然較小,但是它的間隙數(shù)目多且分散,間隙半徑很小,四面體間隙半徑為0.291Ra,即R=0.0361nm,八面體間隙半徑為0.154Ra,即R=0.0191nm。氫,氮,碳,硼由于與a-Fe的尺寸差別較大,在a-Fe中形成間隙固溶體,固溶度很小。a-Fe的八面體間隙的[110]方向R=0.633 Ra,間隙元素溶入時(shí)只引起一個(gè)方向上的點(diǎn)陣畸變,故多數(shù)處于a-Fe的八面體間隙中心。B原子較大,有時(shí)以置換方式溶入a-Fe。 由于g-Fe為fcc結(jié)構(gòu),間隙數(shù)目少,間隙半徑大,四面體間隙半徑為0.225 Ra,即R=0.028nm,八面體間隙半徑為0.414 Ra,即R=0.0522nm。氫,氮,碳,硼在g-Fe 中也是形成間隙固溶體,其固溶度大于在a-Fe中的固溶度,氫,氮,碳,硼處于g-Fe的八面體間隙中心。 2、簡(jiǎn)答:異類原子之間的結(jié)合力大于同類原子之間結(jié)合力;合金成分符合一定化學(xué)式;低于臨界溫度(有序化溫度)。 第三章 純金屬的凝固 1. 填空 1. 結(jié)構(gòu)和能量。 2 表面,體積自由能 ,,。 3 晶核長(zhǎng)大時(shí)固液界面的過冷度。 4 減少,越大,細(xì)小。 5. 快速冷卻。 二、 問答 1 解答: 凝固的基本過程為形核和長(zhǎng)大,形核需要能量和結(jié)構(gòu)條件,形核和長(zhǎng)大需要過冷度。細(xì)化晶粒的基本途徑可以通過加大過冷度,加入形核劑,振動(dòng)或攪拌。 2 解答: 根據(jù)金屬結(jié)晶過程的形核和長(zhǎng)大理論以及鑄錠的散熱過程,可以得出通常鑄錠組織的特點(diǎn)為最外層為細(xì)小等軸晶,靠?jī)?nèi)為柱狀晶,最內(nèi)層為粗大等軸晶。 3 解答: 液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí),均勻形核時(shí)臨界晶核半徑rK與過冷度vT關(guān)系為,臨界形核功vGK等于。異質(zhì)形核時(shí)固相質(zhì)點(diǎn)可作為晶核長(zhǎng)大,其臨界形核功較小,,θ為液相與非均勻形核核心的潤(rùn)濕角。 形核率與過冷度的關(guān)系為: ,其中N為形核率,C為常數(shù),ΔGA、ΔGk分別表示形核時(shí)原子擴(kuò)散激活能和臨界形核功。在通常工業(yè)凝固條件下形核率隨過冷度增大而增大。 4 解答: 在金屬凝固時(shí),可以近似認(rèn)為L(zhǎng)M=vHm,根據(jù)均勻形核時(shí)臨界晶核半徑rK與過冷度vT關(guān)系為,可以計(jì)算得到r=0.7910-7cm=0.79nm。 5: 解答: 過冷是指金屬結(jié)晶時(shí)實(shí)際結(jié)晶溫度Tn比理論結(jié)晶溫度Tm低的現(xiàn)象。過冷度ΔT指Tm與Tn的差值。動(dòng)態(tài)過冷度指晶核長(zhǎng)大時(shí)的過冷度。金屬形核和長(zhǎng)大都需要過冷,過冷度增大通常使形核半徑、形核功減少,形核過程容易,形核率增加,晶粒細(xì)化。 6 解答: 冷卻速度極大影響金屬凝固后的組織。冷卻快一般過冷度大,使形核半徑、形核功減少,形核過程容易,形核率增加,晶粒細(xì)化,冷卻非??鞎r(shí)可以得到非晶,在一般工業(yè)條件下快速冷卻可以得到亞穩(wěn)相。 7、 解答: 純金屬凝固時(shí) 潤(rùn)濕角θ=0,形核功為0,固相粒子促進(jìn)形核效果最好; 潤(rùn)濕角θ=180,異質(zhì)形核功等于均勻形核功,固相粒子對(duì)形核無促進(jìn)作用; 潤(rùn)濕角0<θ<180,形核功比均勻形核的形核功小,θ越小,固相粒子促進(jìn)形核效果越好。 雜質(zhì)顆粒的晶體結(jié)構(gòu)與晶核相同或相近時(shí),促進(jìn)形核效果好,當(dāng)兩者結(jié)構(gòu)不相同時(shí),一般對(duì)促進(jìn)形核效果差或不促進(jìn)形核。 雜質(zhì)粒子的表面成凹形時(shí),促進(jìn)形核效果好,成平面狀時(shí)次之,凸形時(shí)最差。 第四章 二元合金相圖與合金凝固 一、填空 1. 成分 2. 光滑界面 ,粗糙界面 3. 垂直長(zhǎng)大機(jī)制,二維平面長(zhǎng)大 , 依靠晶體缺陷長(zhǎng)大 4 枝晶 ,均勻化退火 5 平直狀 , 樹枝 。 6. _偽共晶_。 7 , 1 。 8. 共晶 , 熔晶 , 偏析 ,包析 9 0.0218% , 4.3% ; P 和 Fe3C ; FCC, 間隙 , 間隙固溶體 , BCC , 2.11% ; 0.77 , 珠光體 和 滲碳體 ; 4.3% ; P+F, P+Fe3C , Ld , A+ Fe3C , P+Fe3C +Fe3CII , 液相 , A , F , 6.69 , 硬、脆 , P 。 2 問答 1 解答: 1)見圖中標(biāo)注。兩相區(qū)由相鄰的兩個(gè)單相區(qū)所構(gòu)成。水平線代表三相區(qū),見3)中的恒溫反應(yīng)式。 2)穩(wěn)定化合物為δ、ε,不穩(wěn)定化合物為β、γ。 3)1455℃,L+δ-ε,包晶反應(yīng); 1387℃,L-ε+Ni,共晶反應(yīng); 1135℃,L+δ-γ,包晶反應(yīng); 855℃,L+γ-β,包晶反應(yīng); 640℃,L-Al+β,共晶反應(yīng); 4)Ni 30%(重量)的合金在平衡冷卻時(shí)的相變過程:L-γ;855℃,L+γ-β,包晶反應(yīng);L-β;640℃,L-Al+β,共晶反應(yīng); 室溫下相組成為Al+β,,β=1-Al%=71.4%。 室溫下組織組成為β+(Al+β)共晶,,,(Al+β)共晶=1-β%=28.6%。 5)含Ni89%(重量)的Ni-Al合金其平衡凝固時(shí)室溫組織為Ni和Ni中析出的ε,非平衡凝固后會(huì)出現(xiàn)非平衡共晶組織,即為Ni和少量的1387℃反應(yīng)生成的L-(ε+Ni)共晶。 6)X合金平衡凝固完畢時(shí)的組織a初晶占80%,則(a+b)共晶=20%,設(shè)此合金中Ni組元的含量是X,,可以求得X=0.01%。 7)1500e 時(shí)Al-Ni合金系的自由能—成分曲線示意圖如圖。 2 解答: 1)a相晶體結(jié)構(gòu)與Cu的結(jié)構(gòu)保持一致,為fcc結(jié)構(gòu); 2)共晶反應(yīng)前的平衡分配系數(shù); 3) Cu-13.47%Sn合金在正常條件下凝固后,由于固相平均成分線相對(duì)于固相線下移,在合金凝固過程中剩余少量液相出現(xiàn)非平衡結(jié)晶,發(fā)生包晶反應(yīng)而出現(xiàn)少量b相。這些少量b相可以通過均勻化退火消除。 4)Cu-70%Sn合金平衡凝固過程為L(zhǎng)-ε,L92.4+ε38.2—η59.0,L—η,L99.3—η60.9+(Sn),η- 共晶反應(yīng)剛完畢時(shí)相組成物為η+(Sn),組織組成物為η+(η+Sn)共晶。 相組成物的相對(duì)含量為: 和組織組成物的相對(duì)含量:(η+Sn)共晶%=1-η%=23.7%。 5)合金在450℃時(shí)各相自由能---成分曲線示意圖如圖所示。 3 解答: 1)相區(qū)填寫如圖所示。相圖中各等溫反應(yīng)如下: 935℃:L+β(Y)—ε;780℃:L+ε—δ;776℃:β(Y)—ε+α(Y); 635℃:L+ε—γ; 557℃:L—(Mg)+γ。 Y=5%wt時(shí)的合金K在室溫時(shí)的平衡組織為(Mg)固溶體。 2)Mg為hcp結(jié)構(gòu),因?yàn)閞=a/2,一個(gè)hcp晶胞中有6個(gè)原子,設(shè),則致密度為 3)提高合金K強(qiáng)度的可能方法有細(xì)化晶粒,加工硬化。 4)Y=10%wt之合金可能的強(qiáng)化方法有細(xì)化晶粒,加工硬化和固溶時(shí)效。 4 解答: 相同點(diǎn):均需要形核與長(zhǎng)大,形核要滿足一定熱力學(xué)條件,形成一定臨界晶核半徑,即需要能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏。 不同點(diǎn):固溶體合金形核除需要能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏外,還需要成分起伏,非平衡結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生偏析,一般會(huì)產(chǎn)生成分過冷,凝固過程是在一個(gè)溫度區(qū)間進(jìn)行,而純金屬凝固在等溫進(jìn)行。 5 解答: 1)Fe3CII含量最多的合金、珠光體含量最多的合金、萊氏體含量最多的合金的合金成分分別為含碳量2.11%,0.77%,4.3%。 2)二元系中比較適合做變形合金和合金為單相固溶體,適合作為鑄造合金的成分范圍為含有較多共晶體的合金。故在含碳量小于2.11%的合金可以經(jīng)過加熱得到單相合金適合作為變形合金,含碳量大于4.3%的合金有共晶反應(yīng)適合作為鑄造合金。 3)提高壓力加工合金的強(qiáng)度的方法主要有加工硬化,合金元素固溶產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化,細(xì)化晶粒強(qiáng)化,熱處理強(qiáng)化,第二相強(qiáng)化,彌散質(zhì)點(diǎn)的彌散強(qiáng)化。 4)平衡反應(yīng)的成分及溫度,反應(yīng)式為 1495℃,L0.53+δ0.09-A0.17,包晶反應(yīng); 1148℃,L4.3-A2.11+Fe3C,共晶反應(yīng); 727℃,A0.77-F0.0218+Fe3C,共析反應(yīng); 5)凝固過程:935℃:L—γ,γ—Fe3CⅡ,γ—F+Fe3CⅡ(P) 室溫下相組成為F+Fe3CⅡ,其中;室溫下組織組成為P+Fe3CⅡ,其中,F(xiàn)e3CⅡ%=1-P%=1.9%。 6)亞穩(wěn)轉(zhuǎn)變后組織為P+Fe3CⅡ,淬火冷卻后C在Fe中形成過飽和固溶體(馬氏體相變)。 7) 三種鋼在給定溫度下的顯微組織如表。 8)1200℃時(shí)各相的自由能---成分曲線示意圖如圖。 6: 解答: 1)Ⅱ合金的平衡冷卻曲線和組織如圖;室溫下相組成物為α+β,其中,β=1-α%=88.2%,組織組成為β+(α+β)共晶, ,(α+β)共晶%=1-β%=25%; 2) Ⅰ合金在平衡凝固時(shí)室溫組織為α+βⅡ,工業(yè)條件冷卻時(shí)出現(xiàn)少量非平衡共晶組織,室溫組織為α+βⅡ+少量(α+β)共晶。 3) 可以根據(jù)相圖估計(jì),在共晶溫度下盡可能高的溫度進(jìn)行退火。 7: 解答: 1)金屬固液界面的微觀結(jié)構(gòu)為粗糙界面,長(zhǎng)大機(jī)制為垂直長(zhǎng)大方式,在正溫度梯度下固液界面保持平直,在負(fù)溫度梯度下成長(zhǎng)時(shí)固/液界面不穩(wěn)定,結(jié)晶后容易長(zhǎng)成樹枝狀晶。 8: 解答: 1)相區(qū)填充如圖; 2)設(shè)X合金中Bi組元的含量是x,依題意有,可以解得x=53.44,即Bi組元的含量是53.44%。 3)設(shè)Y合金中Bi組元的含量是y,依題意有共晶含量,可以解得y=78.15,即Pb組元的含量是21.85%。 4)Pb-30%Bi合金平衡凝固過程為L(zhǎng)—α,L+α—β,L—β,β—Bi,室溫下平衡組織為β+Bi,非平衡凝固下由于L+α—β包晶反應(yīng)很難進(jìn)行完全,故在β晶粒內(nèi)部會(huì)保留部分α,室溫下組織為β+殘留α+Bi。 第五章 三元合金相圖 圖8 1 解答: 0.8%C的Fe-C-Si三元合金在平衡冷卻時(shí)的相變過程為L(zhǎng)—α,L+α—γ,L—γ,1100℃時(shí)的平衡組織為γ。 2 解答: 1)Cu-30%Zn-10%Al合金的成分點(diǎn)見圖中X點(diǎn)。 2)Cu-20%Zn-8%Al合金,位于α+γ兩相區(qū)邊界線上,由α+γ兩相組成。Cu-25Zn-6Al合金位于α++γ的三相區(qū)中,由α++γ的三相區(qū)組成,可以從圖中讀出各相成分點(diǎn): α:Cu-22.6Zn-3.45Al, γ:Cu-18Zn-11.5Al, β:Cu-30Zn-4Al 故Cu-20Zn-8Al合金中α%=100%=43.50% γ%=1-α%=56.5% Cu-25Zn-6Al合金中=100%=50% α%=(1-)43.5%=21.75%,γ%=(1-)56.5%=28.25% 3) Y合金凝固過程:L-α,L-α+β,β-α 3 解答: 1) :L+α-β :L-β+γ :L-α+γ 2) L+α-β+γ 3)O合金凝固過程:L-α,L+α-β,L+α-β+γ,α,β,γ同析。 4 解答:e-1085℃:L→FeC+γ;P-1335℃:L+α-γ;γ-1380℃:L+FeW2-α 1700℃ L+WC+W-η 1200℃ L+η-γ+WC 1085℃ L-γ+Fe3C+WC 5 解答: 1) 2Cr13.不銹鋼的淬火加熱在γ相區(qū),從圖上估計(jì)為1050℃-1300℃; 2)2%C,13%Cr剛的平衡凝固過程為:L-γ,L-γ+C; γ→α+C(P);α→C; 室溫下組織為C+P。 3) 1區(qū)的三相反應(yīng)是:L+δ-γ 795℃的四相平衡的反應(yīng)式:γ+C-α+ C 6 解答:Ⅳ區(qū)合金凝固過程為:L-α,L-α+β,α-β互析; Ⅵ區(qū)合金凝固過程為:L-α,L-α+β,L-α+β+γ,隨后α,β,γ同析; 四相反應(yīng)式為:L-α+β+γ 7 解答:四相反應(yīng)式為137.4℃時(shí)P點(diǎn):Lp+α-β+δ 99.5℃時(shí)E點(diǎn) L-β2+δ+γ 三元系初晶面有δ、α、β、γ的四個(gè)初晶面; 2)三元合金中合金1的結(jié)晶過程為:L-γ,L-γ+δ+β; 合金2的結(jié)晶過程為:L-δ,L-δ+β,L-γ+δ+β; 合金3的結(jié)晶過程為:L-α,L-δ+α,L+α-β+δ; 合金4的結(jié)晶過程為::L-α, L+α-β+δ。 3)由題意分析可知改合金成分位于γ(Bi)與E點(diǎn)的連線上,設(shè)其Bi含量為x, 故有50%=100%,故Bi含量為77.5%, 即Pb%+Sn%=22.5%。由于成分線過Bi的頂點(diǎn),故所求合金中 可求得Pb%=9%,Sn=13.5%。 第六章 空位與位錯(cuò) 一、 名詞解釋 空位平衡濃度:金屬晶體中,空位是熱力學(xué)穩(wěn)定的晶體缺陷,在一定的空位下對(duì)應(yīng)一定的空位濃度,通常用金屬晶體中空位總數(shù)與結(jié)點(diǎn)總數(shù)的比值來表示。 位錯(cuò):晶體中的一種原子排列不規(guī)則的缺陷,它在某一個(gè)方向上的尺寸很大,另兩個(gè)方向上尺寸很小。 柏氏回路:確定柏氏族矢量的過程中圍繞位錯(cuò)線作的一個(gè)閉合回路,回路的每一步均移動(dòng)一個(gè)原子間距,使起點(diǎn)與終點(diǎn)重合。 P-N力:周期點(diǎn)陣中移動(dòng)單個(gè)位錯(cuò)時(shí),克服位錯(cuò)移動(dòng)阻力所需的臨界切應(yīng)力 擴(kuò)展位錯(cuò):兩個(gè)不全位錯(cuò)之間夾有層錯(cuò)的位錯(cuò)組態(tài) 堆垛層錯(cuò):密排晶體結(jié)構(gòu)中整層密排面上原子發(fā)生滑移錯(cuò)排而形成的一種晶體缺陷。 弗蘭克-瑞德位錯(cuò)源:兩個(gè)結(jié)點(diǎn)被釘扎的位錯(cuò)線段在外力的作用下不斷彎曲弓出后,互相鄰近的位錯(cuò)線抵消后產(chǎn)生新位錯(cuò),原被釘扎錯(cuò)位線段恢復(fù)到原狀,不斷重復(fù)產(chǎn)生新位錯(cuò)的,這個(gè)不斷產(chǎn)生新位錯(cuò)、被釘扎的位錯(cuò)線即為弗蘭克-瑞德位錯(cuò)源。 Orowan機(jī)制:合金相中與基體非共格的較硬第二相粒子與位錯(cuò)線作用時(shí)不變形,位錯(cuò)繞過粒子,在粒子周圍留下一個(gè)位錯(cuò)環(huán)使材料得到強(qiáng)化的機(jī)制。 科垂?fàn)枤鈭F(tuán):圍繞刃型位錯(cuò)形成的溶質(zhì)原子聚集物,通常阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效果。 鈴木氣團(tuán):溶質(zhì)原子在層錯(cuò)區(qū)偏聚,由于形成化學(xué)交互作用使金屬?gòu)?qiáng)度升高。 面角位錯(cuò):在fcc晶體中形成于兩個(gè){111}面的夾角上,由三個(gè)不全位錯(cuò)和兩個(gè)層錯(cuò)構(gòu)成的不能運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)組態(tài)。 多邊形化:連續(xù)彎曲的單晶體中由于在加熱中通過位錯(cuò)的滑移和攀移運(yùn)動(dòng),形成規(guī)律的位錯(cuò)壁,成為小角度傾斜晶界,單晶體因而變成多邊形的過程。 二、 問答 1 解答:層錯(cuò)能高,難于形成層錯(cuò)和擴(kuò)展位錯(cuò),形成的擴(kuò)展位錯(cuò)寬度窄,易于發(fā)生束集,容易發(fā)生交滑移,冷變形中線性硬化階段短,甚至被掩蓋,而拋物線硬化階段開始早,熱變形中主要發(fā)生動(dòng)態(tài)恢復(fù)軟化;層錯(cuò)能低則反之,易于形成層錯(cuò)和擴(kuò)展位錯(cuò),形成的擴(kuò)展位錯(cuò)寬度較寬,難于發(fā)生束集和交滑移,冷變形中線性硬化階段明顯,熱變形中主要發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化。 2. 解答: 1)對(duì)于位錯(cuò)反應(yīng),需要同時(shí)滿足能量條件和幾何條件,反應(yīng)才能進(jìn)行。 在]+中,, ,,滿足能量條件;同時(shí),滿足幾何條件,故反應(yīng)能進(jìn)行。 擴(kuò)展位錯(cuò)寬度,G為切彈性模量,b1、b2為不全位錯(cuò)柏氏矢量,γ為層錯(cuò)能。若反應(yīng)前的是刃位錯(cuò),則反應(yīng)后的擴(kuò)展位錯(cuò)只能在原滑移面上進(jìn)行滑移;若反應(yīng)前的是螺型位錯(cuò),反應(yīng)后形成的擴(kuò)展位錯(cuò)可以進(jìn)行束集,與其相交面如面相交處束集,而后過渡到面上進(jìn)行運(yùn)動(dòng),并有可能再次分解為擴(kuò)展位錯(cuò)。 2)若(1,1,1)面上位錯(cuò)與面上的位錯(cuò)相遇,它們之間能滿足能量條件和幾何條件,可以發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng),反應(yīng)式為:。新位錯(cuò)位于(001)面上,是純?nèi)行臀诲e(cuò),由于不在其滑移面{111}面上,為不可動(dòng)位錯(cuò)。 3)(111)與(111)兩個(gè)滑移面上全位錯(cuò)分解為肖克萊不全位錯(cuò)的兩個(gè)反應(yīng)式為: (111)晶面上:,面上的位錯(cuò) 4)如果兩擴(kuò)展位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)分解后的兩個(gè)領(lǐng)先不全位錯(cuò)為和,兩領(lǐng)先位錯(cuò)之間依據(jù)能量條件和幾何條件要求,可以判斷位錯(cuò)反應(yīng)可以進(jìn)行。新位錯(cuò)柏氏矢量為;新形成位錯(cuò)為在(001)面上刃型位錯(cuò),牽制到其它兩個(gè)不全位錯(cuò)和兩個(gè)層錯(cuò)均不能運(yùn)動(dòng),會(huì)引起冷加工中的加工硬化。 3 解答:1)將各參數(shù)帶入公式中可以計(jì)算得到Es=0.73~0.92Gb2; 2)Cu中長(zhǎng)度為1個(gè)柏氏矢量的螺型位錯(cuò)割階的能量約為(1.725~2.3)10-11J/cm2。 4 解答:平衡空位濃度,A為材料常數(shù),k=1.3810-23 J/K,Ev為空位形成能。,即溫度越高,空位濃度越大。高溫淬火后由于高濃度空位被保留至低溫,對(duì)低溫加熱擴(kuò)散有促進(jìn)作用。 5 解答:平衡空位濃度,Al的空位形成能為0.76eV=0.76(1.60210-19 J),k=1.3810-23 J/K,系數(shù)A=1。計(jì)算可得27e (300K)時(shí)空位濃度C1=1.710-13,627e 時(shí)空位濃度為C2=5.5410-5,故從27e 升溫到627e 時(shí)空位濃度增加倍。 6 解答:兩平行同號(hào)刃型位錯(cuò)之間滑移面上的受力: ,G為切彈性模量,b,為兩刃型位錯(cuò)的柏氏矢量,ν為泊松比。 故位置1位錯(cuò)受斥力,位置2位錯(cuò)處于亞穩(wěn)平衡,偏離該位置則遠(yuǎn)離或運(yùn)動(dòng)到與原點(diǎn)處位錯(cuò)垂直的地方。位置3處第二個(gè)位錯(cuò)處于與原點(diǎn)處位錯(cuò)垂直的上方,處于穩(wěn)定態(tài)。 7、解答:位錯(cuò)是晶體中的缺陷,對(duì)材料有許多重要影響。 1) 對(duì)變形影響。通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)完成塑性變形; 2) 對(duì)性能影響,與第二相粒子,通過切過或繞過機(jī)制強(qiáng)化材料,冷加工中位錯(cuò)密度增加也能強(qiáng)化材料,或通過形成科垂?fàn)枤鈭F(tuán)強(qiáng)化材料,以及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)中相互交截,或形成割階、面角位錯(cuò)等使材料強(qiáng)化; 3) 對(duì)再結(jié)晶中的晶核形成機(jī)制有影響; 是優(yōu)先擴(kuò)散通道。 第七章 金屬塑性變形 一 名詞 固溶強(qiáng)化:固溶體中的溶質(zhì)原子溶入基體金屬后使合金變形抗力提高,應(yīng)力-應(yīng)變曲線升高,塑性下降的現(xiàn)象; 應(yīng)變時(shí)效:具有屈服現(xiàn)象的金屬材料在受到拉伸等變形發(fā)生屈服后,在室溫停留或低溫加熱后重新拉伸又出現(xiàn)屈服效應(yīng)的情況; 孿生:金屬塑性變形的重要方式。晶體在切應(yīng)力作用下一部分晶體沿著一定的晶面(孿晶面)和一定的晶向(孿生方向)相對(duì)于另外一部分晶體作均勻的切變,使相鄰兩部分的晶體取向不同,以孿晶面為對(duì)稱面形成鏡像對(duì)稱,孿晶面的兩邊的晶體部分稱為孿晶。形成孿晶的過程稱為孿生; 臨界分切應(yīng)力:金屬晶體在變形中受到外力使某個(gè)滑移系啟動(dòng)發(fā)生滑移的最小分切應(yīng)力; 變形織構(gòu):多晶體中位向不同的晶粒經(jīng)過塑性變形后晶粒取向變成大體一致,形成晶粒的擇優(yōu)取向,擇優(yōu)取向后的晶體結(jié)構(gòu)稱為變形織構(gòu),織構(gòu)在變形中產(chǎn)生,稱為變形織構(gòu)。 二 問答 1 簡(jiǎn)答:純金屬變形主要借助位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),通過滑移和孿生完成塑性變形,開動(dòng)滑移系需要臨界切應(yīng)力,晶體中還會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn);單相合金的基本變形過程與純金屬的基本過程是一樣的,但會(huì)出現(xiàn)固溶強(qiáng)化,開動(dòng)滑移系需要臨界切應(yīng)力較大,還有屈服和應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象。 2 簡(jiǎn)答:滑移時(shí)原子移動(dòng)的距離是滑移方向原子間距的整數(shù)倍,孿生時(shí)原子移動(dòng)的距離不是孿生方向原子間距的整數(shù)倍;滑移時(shí)滑移面兩邊晶體的位向不變,而孿生時(shí)孿生面兩邊的晶體位向不同,以孿晶面形成鏡像對(duì)稱;滑移時(shí)需要的臨界分切應(yīng)力小,孿生開始需要的臨界分切應(yīng)力很大,孿生開始后繼續(xù)切變時(shí)需要的切應(yīng)力小,故孿生一般在滑移難于進(jìn)行時(shí)發(fā)生。 3 簡(jiǎn)答:1)α的滑移系為{110}<111>,b相的常見滑移系為{111}<110>,h相的常見滑移系為(0001)<110>。 2)它們單晶變形時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖如圖。 典型的面心立方單晶體的加工硬化曲線可以分為三個(gè)階段。當(dāng)切應(yīng)力達(dá)到晶體的臨界分切應(yīng)力時(shí),其應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似為直線,稱為易滑移階段,此時(shí)加工硬化率很小,滑移線細(xì)長(zhǎng),分布均勻;隨后加工硬化率顯著增加,稱為線性硬化階段,滑移系在幾組相交的滑移系上發(fā)生,位錯(cuò)彼此交截,滑移線較短;第三階段稱為拋物線硬化階段,加工硬化隨應(yīng)變?cè)黾佣鴾p少,出現(xiàn)許多碎斷滑移帶,滑移帶端部出現(xiàn)交滑移痕跡。 多晶體加工硬化曲線一般不出現(xiàn)易滑移的第一階段,而加工硬化率明顯高于單晶體。 4 簡(jiǎn)答:冷加工纖維組織是純金屬和單相合金在冷塑性變形時(shí)和變形度很大的條件下,各晶粒伸長(zhǎng)成纖維狀;帶狀組織是復(fù)相合金在冷塑性變形和變形度大的條件下第二相被破碎或伸長(zhǎng),沿變形方向成帶狀分布而形成的;變形織構(gòu)是金屬和合金在在冷塑性變形時(shí)晶粒發(fā)生擇優(yōu)取向而形成的。 上述冷加工纖維組織、帶狀組織和變形織構(gòu)都使材料的性能具有方向性,即在各個(gè)方向上的性能不均,對(duì)使用性能有不良影響,但少數(shù)金屬材料,如用作變壓器的硅鋼片,各向異性能更好滿足使用要求。 5 簡(jiǎn)答:金屬材料經(jīng)熱加工后機(jī)械性能較鑄造態(tài)好的主要原因是熱加工時(shí)的高溫、大變形量使氣泡、疏松和微裂紋得到機(jī)械焊合,提高了材料的致密性,消除了鑄造缺陷,同時(shí)改善夾雜物和脆性相的形態(tài)、大小和分布,使枝晶偏析 程度減弱,合金成分均勻性提高,熱加工中形成合理的加工流線,熱加工還可使金屬顯微組織細(xì)化,這些都可以提高金屬材料的性能。 6 簡(jiǎn)答:金屬材料經(jīng)冷加工后,強(qiáng)度增加,硬度增加,塑性降低的現(xiàn)象稱為加工硬化。產(chǎn)生加工硬化的各種可能機(jī)制有滑移面上平行位錯(cuò)間的交互作用的平行位錯(cuò)硬化理論,以及滑移面上位錯(cuò)與別的滑移面上位錯(cuò)林切割產(chǎn)生割階的林位錯(cuò)強(qiáng)化理論。 加工硬化在實(shí)際生產(chǎn)中用來控制和改變金屬材料的性能,特別是對(duì)不能熱處理強(qiáng)化的合金和純金屬尤為重要,可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化的合金,加工硬化可以進(jìn)一步提高材料的強(qiáng)度;加工硬化是實(shí)現(xiàn)某些工件和半成品加工成型的主要因素;加工硬化也會(huì)帶來塑性降低,使變形困難的影響,還會(huì)使材料在使用過程中尺寸不穩(wěn)定,易變形,降低材料耐蝕性。 7 簡(jiǎn)答:可有8個(gè)滑移系同時(shí)產(chǎn)生滑移(可以通過計(jì)算fcc的滑移系與[001]方向的夾角得到此結(jié)果)。開動(dòng)其中一個(gè)滑移系至少要施加的拉應(yīng)力為 9 簡(jiǎn)答:第二相在冷塑性變形過程中的作用一般是提高合金強(qiáng)度,但還取決于第二相的種類數(shù)量顆粒大小形狀分布特點(diǎn)及與基體結(jié)合界面結(jié)構(gòu)等,對(duì)塑性變形影響復(fù)雜。第二相強(qiáng)度高于基體但有一定塑性,其尺寸、含量與基體基本接近,則合金塑性是兩相的變形能力平均值。第二相硬、脆,合金變形只在基體中進(jìn)行,第二相基本不變形;第二相均勻、彌散分布在固溶體基體上,可以對(duì)合金產(chǎn)生顯著強(qiáng)化作用。 10 簡(jiǎn)答:織構(gòu)由晶粒擇優(yōu)取向形成,變形織構(gòu)對(duì)再結(jié)晶織構(gòu)形成有主要影響,織構(gòu)造成材料性能各向異性。各向異性在不同情況需要避免或利用??棙?gòu)控制可以通過控制合金元素的種類和含量、雜質(zhì)含量、變形工藝(如變向軋制)和退火工藝等多種因素的配合。 11 簡(jiǎn)答:金屬和合金在冷塑性變形過程中發(fā)生的組織性能的變化主要有晶粒被拉長(zhǎng),形成纖維組織,冷變形程度很高時(shí),位錯(cuò)密度增高,形成位錯(cuò)纏結(jié)和胞狀組織,發(fā)生加工硬化,,變形金屬中出現(xiàn)殘余應(yīng)力,金屬在單向塑性變形時(shí)出現(xiàn)變形織構(gòu)。 12 簡(jiǎn)答: 1)屈服現(xiàn)象是由溶質(zhì)原子與位錯(cuò)交互作用產(chǎn)生氣團(tuán)產(chǎn)生的,在外力作用下使位錯(cuò)掙脫溶質(zhì)原子的釘扎,材料出現(xiàn)屈服現(xiàn)象,曲線2在位錯(cuò)脫離釘扎后溶質(zhì)原子來不及重新聚集形成氣團(tuán),故無屈服現(xiàn)象;曲線3在出現(xiàn)屈服后時(shí)效再加載,溶質(zhì)原子可以重新聚集形成氣團(tuán),故又出現(xiàn)屈服現(xiàn)象; 2)屈服現(xiàn)象使金屬材料在拉伸和深沖過程中變形不均勻,造成工件表面不平整??梢酝ㄟ^加入與溶質(zhì)原子形成穩(wěn)定化合物的其它元素,減少間隙溶質(zhì)原子含量,減少氣團(tuán),消除或減輕屈服現(xiàn)象,或在深沖之前進(jìn)行比屈服伸長(zhǎng)范圍稍大的預(yù)變形,使位錯(cuò)掙脫氣團(tuán)的釘扎,然后盡快深沖。 13 簡(jiǎn)答:根據(jù)霍爾—配奇公式:,則按照題意有: 和,可以解得s0=50,k=25,故可求得當(dāng)d=1/16mm時(shí),根據(jù)霍爾—配奇公式求得ss=50+25=150 MNm-2。 第八章 回復(fù)與再結(jié)晶 1 名詞 變形織構(gòu):多晶體中位向不同的晶粒經(jīng)過塑性變形后晶粒取向變成大體一致,形成晶粒的擇優(yōu)取向,擇優(yōu)取向后的晶體結(jié)構(gòu)稱為變形織構(gòu),織構(gòu)在變形中產(chǎn)生,稱為變形織構(gòu); 再結(jié)晶織構(gòu)是具有變形織構(gòu)的金屬經(jīng)過再結(jié)晶退火后出現(xiàn)的織構(gòu),位向于原變形織構(gòu)可能相同或不同,但常與原織構(gòu)有一定位向關(guān)系。 再結(jié)晶全圖:表示冷變形程度、退火溫度與再結(jié)晶后晶粒大小的關(guān)系(保溫時(shí)間一定)的圖。 冷加工與熱加工:再結(jié)晶溫度以上的加工稱為熱加工,低于再結(jié)晶溫度又是室溫下的加工稱為冷加工。 帶狀組織:多相合金中的各個(gè)相在熱加工中可能沿著變形方向形成的交替排列稱為帶狀組織; 加工流線:金屬內(nèi)部的少量夾雜物在熱加工中順著金屬流動(dòng)的方向伸長(zhǎng)和分布,形成一道一道的細(xì)線; 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶:低層錯(cuò)能金屬由于開展位錯(cuò)寬,位錯(cuò)難于運(yùn)動(dòng)而通過動(dòng)態(tài)回復(fù)軟化,金屬在熱加工中由溫度和外力聯(lián)合作用發(fā)生的再結(jié)晶稱為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。 臨界變形度:再結(jié)晶后的晶粒大小與冷變形時(shí)的變形程度有一定關(guān)系,在某個(gè)變形程度時(shí)再結(jié)晶后得到的晶粒特別粗大,對(duì)應(yīng)的冷變形程度稱為臨界變形度。 二次再結(jié)晶:某些金屬材料經(jīng)過嚴(yán)重變形后在較高溫度下退火時(shí)少數(shù)幾個(gè)晶粒優(yōu)先長(zhǎng)大成為特別粗大的晶粒,周圍較細(xì)的晶粒逐漸被吞掉的反常長(zhǎng)大情況。 退火孿晶:某些面心立方金屬和合金經(jīng)過加工和再結(jié)晶退火后出現(xiàn)的孿晶組織。 2 問答 1 簡(jiǎn)答:再結(jié)晶是一種組織轉(zhuǎn)變,從變形組織轉(zhuǎn)變?yōu)闊o畸變新晶粒的過程,再結(jié)晶前后組織形態(tài)改變,晶體結(jié)構(gòu)不變;固態(tài)相變時(shí),組織形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)都改變;晶體結(jié)構(gòu)是否改變是二者的主要區(qū)別。 2 簡(jiǎn)答:變形度較小時(shí)以晶界弓出機(jī)制形核,變形度大的高層錯(cuò)能金屬以亞晶合并機(jī)制形核,變形度大的低層錯(cuò)能金屬以亞晶長(zhǎng)大機(jī)制形核。 冷變形度很小時(shí)不發(fā)生再結(jié)晶,晶粒尺寸基本保持不變,在臨界變形度附近方式再結(jié)晶晶粒特別粗大,超過臨界變形度后隨變形度增大,晶粒尺寸減少,在很大變形度下,加熱溫度偏高,少數(shù)晶粒發(fā)二次再結(jié)晶,使部分晶粒粗化。 3 簡(jiǎn)答:燈泡中W絲在高溫下工作,晶粒長(zhǎng)大后在熱應(yīng)力作用下破斷,延長(zhǎng)鎢絲壽命的方法可以加入第二相質(zhì)點(diǎn)阻止晶粒在加熱時(shí)長(zhǎng)大,如加入ThO2顆粒;或在燒結(jié)中使制品中形成微細(xì)的空隙也可以抑制晶粒長(zhǎng)大,如加入少量K、Al、Si等雜質(zhì),在燒結(jié)時(shí)汽化形成極小的氣泡。 4 簡(jiǎn)答: 戶外用的架空銅導(dǎo)線要求一定的強(qiáng)度可以進(jìn)行回復(fù)退火,只去應(yīng)力,保留強(qiáng)度;戶內(nèi)電燈用花線可以進(jìn)行再結(jié)晶退火,軟化金屬,降低電阻率。 5 簡(jiǎn)答:1)純鋁經(jīng)90%冷變形后在70e ,150e ,300e 保溫后空冷的組織示意圖如圖。 2)純鋁試樣強(qiáng)度、硬度以70e 退火后最高,150e 退火試樣的強(qiáng)度、硬度次之,300e 保溫后強(qiáng)度、硬度最低,而塑性則以70e 退火后最低,150e 退火試樣的居中,300e 保溫后塑性最好; 工業(yè)純金屬的再結(jié)晶溫度一般可用T再=(0.3~0.4)T熔估計(jì),故純鋁的再結(jié)晶溫度為100e左右,在70℃保溫合金只是發(fā)生回復(fù),顯微組織仍保持加工狀態(tài),強(qiáng)度。硬度最高,塑性差,組織為纖維組織;150e 加熱發(fā)生再結(jié)晶,強(qiáng)度、硬度下降,塑性好,300e 保溫后發(fā)生晶粒長(zhǎng)大,強(qiáng)度、硬度進(jìn)一步下降,塑性很好。 7 簡(jiǎn)答:可計(jì)算得到三種純金屬的再結(jié)晶溫度大約為純鈦:550℃,純鋁:100℃,純鉛低于0℃。金屬的軋制開坯溫度要在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行,故工業(yè)純鈦、純鋁和純鉛鑄錠的軋制開坯溫度可分別取200℃,800℃,室溫即可。 開坯后在室溫軋制,鉛的塑性最好,鋁的塑性也較好,鈦的塑性最差。在室溫下純鋁和純鉛可以連續(xù)軋制,并獲得很薄的帶材,但純鈦不能繼續(xù)軋制,要獲得很薄的帶材需要在再結(jié)晶溫度以上反復(fù)進(jìn)行軋制。 8 簡(jiǎn)答:晶粒大小對(duì)金屬材料的室溫力學(xué)性能可用Hall-Petch公式描述,晶粒越細(xì)小,材料強(qiáng)度越高;高溫下由于晶界產(chǎn)生粘滯性流動(dòng),發(fā)生晶粒沿晶界的相對(duì)滑動(dòng),并產(chǎn)生擴(kuò)散蠕變,晶粒太細(xì)小金屬材料的高溫強(qiáng)度反而降低。 生產(chǎn)中可以通過選擇合適的合金成分獲得細(xì)小晶粒,利用變質(zhì)處理,振動(dòng)、攪拌,加大過冷度等措施細(xì)化鑄錠晶粒,利用加工變形細(xì)化晶粒,合理制訂再結(jié)晶工藝參數(shù)控制晶粒長(zhǎng)大。 9 簡(jiǎn)答: 固溶強(qiáng)化,細(xì)晶強(qiáng)化,加工硬化,第二相強(qiáng)化,相變(熱處理)強(qiáng)化等。 10 簡(jiǎn)答: 固溶強(qiáng)化的可能位錯(cuò)機(jī)制主要是溶質(zhì)原子氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)的釘扎,增加了位錯(cuò)滑移阻力。如溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的彈性交互作用的科垂?fàn)枤鈭F(tuán)和斯諾克氣團(tuán),溶質(zhì)原子與擴(kuò)展位錯(cuò)交互作用的鈴木氣團(tuán)使層錯(cuò)寬度增加,位錯(cuò)難于束集,交滑移困難;溶質(zhì)原子形成的偏聚和短程有序,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)通過時(shí)破壞了偏聚和短程有序使得能量升高,增加位錯(cuò)的阻力,以及溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的靜電交互作用對(duì)位錯(cuò)滑移產(chǎn)生的阻力使材料強(qiáng)度升高。 彌散強(qiáng)化也是通過阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化材料,如位錯(cuò)繞過較硬、與基體非共格第二相的Orowan機(jī)制和切割較軟、與基體共格的第二相粒子的切割機(jī)制。 產(chǎn)生加工硬化的各種可能機(jī)制有滑移面上平行位錯(cuò)間的交互作用的平行位錯(cuò)硬化理論,以及滑移面上位錯(cuò)與別的滑移面上位錯(cuò)林切割產(chǎn)生割階的林位錯(cuò)強(qiáng)化理論。 1 名詞 正吸附:材料表面原子處于結(jié)合鍵不飽和狀態(tài),以吸附介質(zhì)中原子或晶體內(nèi)部溶質(zhì)原子達(dá)到平衡狀態(tài),當(dāng)溶質(zhì)原子或雜質(zhì)原子在表面濃度大于在其在晶體內(nèi)部的濃度時(shí)稱為正吸附; 晶界能:晶界上原子從晶格中正常結(jié)點(diǎn)位置脫離出來,引起晶界附近區(qū)域內(nèi)晶格發(fā)生畸變,與晶內(nèi)相比,界面的單位面積自由能升高,升高部分的能量為晶界能; 小角度晶界:多晶體材料中,每個(gè)晶粒之間的位向不同,晶粒與晶粒之間存在界面,若相鄰晶粒之間的位向差在10~2之間,稱為小角度晶界; 晶界偏聚:溶質(zhì)原子或雜質(zhì)原子在晶界或相界上的富集,也稱內(nèi)吸附,有因?yàn)槌叽缫蛩卦斐傻钠胶馄酆涂瘴辉斐傻姆瞧胶馄邸? 2 問答 1 簡(jiǎn)答: 復(fù)合材料由顆?;蚶w維與基體構(gòu)成,存在大量界面。按照顯微結(jié)構(gòu),其界面層可以區(qū)分為基體與復(fù)合物的機(jī)械固體嚙合結(jié)合、形成化學(xué)反應(yīng)的化合層結(jié)合、形成完全或部分固溶體的結(jié)合幾種情況。結(jié)合層的結(jié)合面體積分?jǐn)?shù)越大,結(jié)合層強(qiáng)度越高,基體與復(fù)合物之間的結(jié)合鍵力越大,結(jié)合強(qiáng)度越高。 2 簡(jiǎn)答: 晶界具有晶界能,容易發(fā)生溶質(zhì)原子和雜質(zhì)原子的晶界偏聚,是原子易擴(kuò)散通道,晶界在加熱時(shí)會(huì)發(fā)生遷移,晶界是相變等優(yōu)先形核的地方,晶界易受腐蝕,晶界增多在室溫下強(qiáng)化材料,在高溫下弱化材料強(qiáng)度,晶界處易于析出第二相,晶界容易使位錯(cuò)塞積,造成應(yīng)力集中,晶界上原子排列混亂。 3 簡(jiǎn)答:一般金屬的晶界能與晶粒位向差有關(guān),并隨位向差增大而增大,小角度晶界的晶界能小于大角度晶界的晶界能,但大角度晶界能一般可以看成常數(shù),約為(5~6)10-5J/cm2。 4 簡(jiǎn)答: 影響晶界遷移的因素主要有界面能、溶質(zhì)原子、第二相質(zhì)點(diǎn)數(shù)量、尺寸和溫度。界面能降低是晶界遷移的驅(qū)動(dòng)力,與晶界曲率半徑成反比,與界面的表面能成正比,因此大角度晶界遷移率總是大于小角度晶界的遷移率;溶質(zhì)原子阻礙晶界遷移;第二相質(zhì)點(diǎn)數(shù)量越多、尺寸越小對(duì)晶界的遷移阻礙作用越大,溫度越高晶界遷移越快。 第十章 原子擴(kuò)散 1 簡(jiǎn)答: 影響擴(kuò)散的因素主要有溫度,溫度越高,擴(kuò)散越快;晶體缺陷如界面、晶界位錯(cuò)容易擴(kuò)散;不同致密度的晶體結(jié)構(gòu)溶質(zhì)原子擴(kuò)散速度不一樣,低致密度的晶體中溶質(zhì)原子擴(kuò)散快,各向異性也影響溶質(zhì)原子擴(kuò)散;在間隙固溶體中溶質(zhì)原子擴(kuò)散容易;擴(kuò)散原子性質(zhì)與基體金屬性質(zhì)差別越大,擴(kuò)散越容易;一般溶質(zhì)原子濃度越高,擴(kuò)散越快;加入其它組元與溶質(zhì)原子形成化合物阻礙其擴(kuò)散。 2 解答:Ni為fcc結(jié)構(gòu),一個(gè)晶胞中的原子個(gè)數(shù)為4,依題意有: 在Ni/MgO界面鎳板一側(cè)的Ni的濃度CNi為100%,每cm3中Ni原子個(gè)數(shù)為: NNi/MgO=(4原子/晶胞)/(3.610-8cm3)=8.571022原子/cm3, 在Ta/MgO界面Ta板一側(cè)的Ni的濃度0%,這種擴(kuò)散屬于穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散,可以利用菲克第一定律求解。 故濃度梯度為dc/dx=(0-8.571022原子/cm3)/(0.05cm)=-1.711024原子/(cm3.cm), 則Ni原子通過MgO層的擴(kuò)散通量: J=-D(dc/dx)=-910-12cm2/s(-1.711024原子/(cm3.cm)) =1.541013Ni原子/(cm2.s) 每秒鐘在22cm2的面積上通過MgO層擴(kuò)散的Ni原子總數(shù)N為 N=J面積=[1.541013Ni原子/(cm2.s)]4cm2=6.161013Ni原子/s。 每秒鐘從界面擴(kuò)散走的Ni原子體積,故 V=(6.161013Ni原子/s)/(8.571022原子/cm3)=0.7210-9cm3/s, 用厚度d表示在該面積中每秒擴(kuò)散的Ni原子為 d=V/面積=(0.7210-9cm3/s)/(22cm2)=1.810-10cm/s, 也就是說要將1mm厚的Ni層擴(kuò)散掉,所需時(shí)間t為: t=(1mm)/(1.810-10cm/s)=556000秒=154小時(shí)。 3 解答:1)滲碳情況符合菲克第二定律的特殊解的應(yīng)用條件,可以利用菲克第二定律進(jìn)行解決。 菲克第二定律特殊解公式: 其中依題意有Cs=1.2,C0=0.1,Cx=0.45,x=0.2。 帶入上式,則有,即: 從表10-1可以得出誤差函數(shù)值,有,Dt=(0.1/0.71)2=0.0198cm2。 任何滿足Dt=0.0198cm2關(guān)系的工藝均可,由于擴(kuò)散與溫度、時(shí)間有關(guān), D=D0exp(-Q/RT),帶入C在Fe中的D0=0.23,激活能Q=32900cal/mol, D=0.23exp(-32900cal/mol/1.987(cal/mol.K)T)=0.23exp(-16558/T), 因此由Dt=(0.1/0.71)2=0.0198cm2,滲碳時(shí)間與滲碳溫度的關(guān)系為: 故可以列出一些典型的滲碳溫度與時(shí)間如下: T=900℃=1173K,則t=116174s=32.3h; T=1000℃=1273K,則t=36360s=10.7h; T=1100℃=1373K,則t=14880s=4.13h; T=1200℃=1473K,則t=6560s=1.82h。 可以根據(jù)上述溫度與時(shí)間的關(guān)系,考慮合金相變和加熱爐、生產(chǎn)效率進(jìn)行合理選擇,一般以1000℃左右較為合適。 2)在滲碳溫度和其它條件不變的情況下,要求滲碳深度增加一倍,由1)可知有關(guān)系存在,可以解得t=42.7h; 4 簡(jiǎn)答:由于反應(yīng)擴(kuò)散的原因,試樣中不能出現(xiàn)兩相區(qū),故試樣從表面到心部的組織最外層為α相,靠里層為γ相,心部不受脫碳影響為α相和γ相。 5 簡(jiǎn)答:1)滲碳在g-Fe中進(jìn)行而不在a-Fe中進(jìn)行,滲碳溫度要高于727e ,是因?yàn)閍-Fe中最大碳溶解度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.0218%,對(duì)于碳含量大于0.0218%的鋼鐵,滲碳時(shí)零件中碳濃度梯度為0,滲碳無法進(jìn)行;而且由于溫度低,擴(kuò)散系數(shù)小,滲碳緩慢。在g-Fe中進(jìn)行則可獲得較高的表層碳濃度梯度,溫度也高,可使?jié)B碳順利進(jìn)行。 2)滲碳溫度高于1100e 會(huì)使鋼板的晶粒長(zhǎng)大,降低其機(jī)械性能。 6 簡(jiǎn)答:1)在有限的時(shí)間內(nèi)不可能使枝晶偏析完全消失, 2)冷加工可以促進(jìn)均勻化過程;經(jīng)過冷加工后枝晶被破碎,縮短了枝晶間距。 7 簡(jiǎn)答: 原子擴(kuò)散在材料中的影響包括晶體凝固時(shí)形核、長(zhǎng)大;合金的成分過冷;成分均勻化,包晶反應(yīng)非平衡凝固時(shí)保留高溫組織的特點(diǎn),固態(tài)相變時(shí)的形核,晶界形核、晶界運(yùn)動(dòng)、晶界偏聚、高溫蠕變,氧化,焊接,化學(xué)熱處理(滲C、N等),粉末冶金,涂層等各方面。 8 解答:上坡擴(kuò)散是擴(kuò)散過程中擴(kuò)散元素從低濃度向高濃度出擴(kuò)散;如各種溶質(zhì)原子氣團(tuán)的形成和共析反應(yīng)產(chǎn)物的形成均為上坡擴(kuò)散。 9 簡(jiǎn)答:間隙固溶體中溶質(zhì)原子在間隙中發(fā)生間隙擴(kuò)散,在置換式固溶體中發(fā)生原子與空位交換實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散的空位機(jī)制。- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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