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材料科學(xué)基礎(chǔ),任課教師：付華,Fundamentals of Material Science,作業(yè)題答案,緒論,1、材料科學(xué)主要研究的核心問(wèn)題是 結(jié)構(gòu) 和 性能 的關(guān)系。 材料的結(jié)構(gòu)是理解和控制性能的中心環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)的最微細(xì)水平是 原子結(jié)構(gòu) ，第二個(gè)水平是 原子排列方式 ，第三個(gè)水平是 顯微組織 。 2. 根據(jù)材料的性能特點(diǎn)和用途，材料分為 結(jié)構(gòu)材料 和 功能材料 兩大類。 根據(jù)原子之間的鍵合特點(diǎn)，材料分為 金屬 、 陶瓷(無(wú)機(jī)非金屬） 、 高分子 和復(fù)合材料四大類。,第一章 材料的原子結(jié)構(gòu),1. 金屬材料中原子結(jié)合以 金屬 鍵為主， 陶瓷材料（無(wú)機(jī)非金屬材料）以 共價(jià)鍵 和 離子鍵 結(jié)合鍵為主， 聚合物材料以 共價(jià)鍵 和 氫鍵和范德華 鍵為主。,第二章 材料的結(jié)構(gòu),一、填空題 1、晶體是 基元（原子團(tuán)）以周期性重復(fù)方式在三維空間作有規(guī)則的排列的固體 。 2、晶體與非晶體的最根本區(qū)別是 晶體原子排布長(zhǎng)程有序，而非晶體是長(zhǎng)程無(wú)序短程有序 。 3、晶胞是 晶體結(jié)構(gòu)中的最小單位 。 4、根據(jù)晶體的對(duì)稱性，晶系有 3 大晶族， 7 大晶系， 14 種布拉菲Bravais點(diǎn)陣， 32 種點(diǎn)群， 230 種空間群。 5、金屬常見(jiàn)的晶格類型有 體心立方 、 面心立方 、 密排六方 。,,6、fcc晶體的最密排方向?yàn)? ，最密排面為 {111} ，最密排面的堆垛順序?yàn)?ABCABCABCABC…… 。 7、fcc晶體的致密度為 0.74 ，配位數(shù)為 12 ，原子在（111）面上的原子配位數(shù)為 6 。 8、bcc晶體的最密排方向?yàn)? ，最密排面為 {110} ，致密度為 0.68 ，配位數(shù)為 8 。 9、晶體的宏觀對(duì)稱要素有 對(duì)稱點(diǎn) 、 對(duì)稱軸 、 對(duì)稱面 。 10、CsCl型結(jié)構(gòu)屬于 簡(jiǎn)單立方格子 ，NaCl型結(jié)構(gòu)屬于 面心立方格子 ，CaF2型結(jié)構(gòu)屬于 面心立方格子 。,,11、MgO晶體具有 NaCl型結(jié)構(gòu)，其對(duì)稱型是 3L4 4L36L29PC ，晶族是 高級(jí)晶族 ，晶系是 立方晶系 ，晶體的鍵型是 離子鍵 。 12、硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中的基本結(jié)構(gòu)單元是 硅氧四面體[SiO4]。 13、幾種硅酸鹽晶體的絡(luò)陰離子分別為[Si2O7]6-、[Si2O6]4-、[Si4O10]4-、[AlSi3O8]1-，它們的晶體結(jié)構(gòu)類型分別為 組群狀 ， 鏈狀 ， 層狀 ，和 架狀 。 14、表征晶體中晶向和晶面的方法有 解析法 和 圖示 法。（晶體投影圖 ）,二、分析計(jì)算,1、（2-3）（1）晶面A在x、y、z軸上的截距分別是2a、3b和6c，求該晶面的米勒指數(shù)；（2）晶面B在x、y、z軸上的截距分別是a/3、b/2和c，求該晶面的米勒指數(shù)。,所以晶面指數(shù)為（3 2 1）,（2）截距倒數(shù)為：3，2，1； 晶面指數(shù)為（3 2 1）,2\ P89，2－4：,P89，2－4：,思考?。。?11｝上的特征晶向 （111）與的關(guān)系,3、寫出立方晶系中晶面族｛100｝、｛110｝、｛111｝包含的等價(jià)晶面。寫出晶向族包含的等價(jià)晶向。,{100}=（100)+(010)+(001),4、（2-9 ）4、（2-9）求 （1）晶面（121）和（100）的晶帶軸指數(shù)；晶面（100）和（010）的晶帶軸指數(shù)；（2）晶向[001]和[111]確定的晶面指數(shù)；包含[010]和 [100] 晶向的晶面指數(shù)。,4、（2-9）,5、(2-11) （1）a≠b≠c、α=β=γ=90°的晶體屬于什么晶族和晶系？（2）a≠b≠c、α≠β≠γ=90°的晶體屬于什么晶族和晶系？（3）能否據(jù)此確定這2種晶體的Bravis點(diǎn)陣？,(1)屬于正交晶系， 由題中條件不能決定是什么布拉菲點(diǎn)陣， 因?yàn)檎痪悼梢杂畜w心、面心、底心和 簡(jiǎn)單正交點(diǎn)陣。 （2）屬于三斜晶系， 因?yàn)槿本抵挥幸环N簡(jiǎn)單點(diǎn)陣，可以 確定布拉菲點(diǎn)陣是三斜點(diǎn)陣。,6、Ni為面心立方結(jié)構(gòu)，原子半徑r=0.1243nm，求Ni的晶格常數(shù)和密度。,解：面心立方結(jié)構(gòu)在面對(duì)角線上原子相切，所以，代入條件可得，,,,7、Mo為體心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=0.3147nm，求Mo的原子半徑r 。,解：體心立方結(jié)構(gòu)在體對(duì)角線上原子相切，所以，,,,8\2-15:CsCl中銫與氯的離子半徑分別為0.167nm、0.181nm。試問(wèn)（1）在CsCl內(nèi)離子在或方向是否相接觸？（2）每單位晶胞內(nèi)有幾個(gè)離子？（3）各離子的配位數(shù)是多少？（4）密度 ρ和 堆積系數(shù)（致密度）K？,（1）CsCl內(nèi)離子在方向相接觸. （2）每單位晶胞內(nèi)有2個(gè)離子; （3） Cs+和Cl-離子的 配位數(shù)是8.,[CsCl 8] 或 [ClCs8]配位六面體。,（4）,對(duì)CsCl晶體，晶體結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)單立方，晶胞中含有一個(gè)正離子一個(gè)負(fù)離子，沿體對(duì)角線正負(fù)離子相切:,a=0.4018nm,CsCl的密度ρ,(4) CsCl的分子量為: (35.453 +132.905 )=168.358， 阿佛加得羅常數(shù)是6.0238×1023; 每個(gè)CsCl分子的質(zhì)量A為： 168.358/(6.0238×1023),CsCl結(jié)構(gòu)：z=1,9\2-16:MgO具有NaCl型結(jié)構(gòu)。Mg2+的離子半徑為0.072nm，O2-的離子半徑為0.140 nm。 試求MgO的密度ρ和堆積系數(shù)（致密度）K。,解：MgO結(jié)構(gòu)為面心立方,解：MgO結(jié)構(gòu)為面心立方，晶胞中有四個(gè)正離子和四個(gè)負(fù)離子，沿棱邊方向正負(fù)離子相切:,,MgO的密度ρ,MgO的分子量為（24.305 +15.999 ）40.30， 阿佛加得羅常數(shù)是6.0238×1023， 每個(gè)MgO 分子的質(zhì)量A為： 40.30/(6.0238×1023)。,MgO結(jié)構(gòu)：z=4,10\2-24:,第一種，橄欖石 MgFe2[SiO4] ,Si:O=1:4，島狀， 共頂數(shù)為0； 第二種:異極礦 Zn4 [Si2O7](OH)2 ，共頂數(shù)一個(gè)， 成對(duì)硅氧團(tuán)，組群狀； 第三種：藍(lán)錐礦 BaTi[Si3O9] Si:O=1：3， 共頂數(shù)為兩個(gè)，組群狀；三節(jié)環(huán)； 第四種：綠寶石Be3Al2[Si6O18], Si:O=1:3，組群狀； 六節(jié)環(huán)； 第五種： 硅灰石Ca3[Si3O9]三節(jié)環(huán)，組群狀； 第六種：魚眼石 KCa4[Si4O10]2F·8H2O, Si:O=4：10， 層狀； 第七種: 鈣長(zhǎng)石 Ca[Al2Si2O8], Si(Al):O=1:2，架狀。 第八種：白榴石 K[AlSi2O6], Si(Al):O=1:2，架狀。,第三章 晶體結(jié)構(gòu)缺陷 P116,一、填空題 1、按幾何組態(tài)，晶體中的缺陷分為 點(diǎn)缺陷 、 線缺陷 、面缺陷 和體缺陷。 2、點(diǎn)缺陷主要包括 空位、 間隙原子、置換原子 ；線缺陷有 位錯(cuò) ；面缺陷包括 晶界、相界、表面 等。 3、描述位錯(cuò)性質(zhì)及特征的是 柏氏矢量b 。 4、位錯(cuò)的類型有 刃位錯(cuò) 、 螺位錯(cuò) 和 混合位錯(cuò) 。 5、位錯(cuò)線與柏氏矢量垂直的位錯(cuò)為 刃位錯(cuò) ，位錯(cuò)線與柏氏矢量平行的位錯(cuò)稱為 螺位錯(cuò) 。,6、位錯(cuò)的基本運(yùn)動(dòng)方式有 滑移 和 攀移 。 7、 刃位錯(cuò) 可以滑移和攀移， 螺位錯(cuò) 可以滑移而不攀移，能進(jìn)行交滑移的位錯(cuò)必然是 螺位錯(cuò) 。 8、位錯(cuò)滑移一般沿著晶體的 密排（面）和 密排（方向）進(jìn)行。 9、柏氏矢量實(shí)際上反應(yīng)了位錯(cuò)線周圍區(qū)域 晶格畸變 的大小和方向。 10、兩平行同號(hào)螺位錯(cuò)間的作用力為 斥力 （引力或斥力？） 。,11、全位錯(cuò)是柏氏矢量等于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò) ； 不全位錯(cuò)是柏氏矢量不等于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò) 。 12、面心立方晶體的不全位錯(cuò)類型主要有Shockley不全位錯(cuò) 和 Franker不全位錯(cuò) ，柏氏矢量分別為b=a/6 ， b=a/3 。只能發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)是 Franker不全位錯(cuò)。 13、位錯(cuò)間轉(zhuǎn)化（位錯(cuò)反應(yīng)）要滿足的條件有幾何條件：柏氏矢量守恒 和能量條件：反應(yīng)后位錯(cuò)的總能量降低 。 14、兩個(gè)不全位錯(cuò)夾一片層錯(cuò)的位錯(cuò)稱為 擴(kuò)展 位錯(cuò)。,二、分析題,1、（3-6）畫一個(gè)方形位錯(cuò)環(huán)， （1）在此平面上畫出柏氏矢量，使其平行于位錯(cuò)環(huán)的其中一邊，任意選擇并畫出位錯(cuò)線方向，據(jù)此指出位錯(cuò)環(huán)各段的性質(zhì)。 （2）能否使該位錯(cuò)環(huán)處處為刃位錯(cuò)？ （3）能否使該位錯(cuò)環(huán)處處為螺位錯(cuò)？,3-6,2、在滑移面上有一位錯(cuò)環(huán)，柏氏矢量為b，位錯(cuò)環(huán)的方向和柏氏矢量的方向如圖所示。（1）指出位錯(cuò)環(huán)各段的性質(zhì)。 （2）能否使該位錯(cuò)環(huán)處處為刃位錯(cuò)？ （3）能否使該位錯(cuò)環(huán)處處為螺位錯(cuò)？ （4）該位錯(cuò)環(huán)滑移出晶體后，晶體有怎樣的滑動(dòng)（大小和方向）？,,,3、（3-11）試分析在fcc中，下列位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行?并指出其中三個(gè)位錯(cuò)的性質(zhì)類型？反應(yīng)后生成的新位錯(cuò)能否在滑移面上運(yùn)動(dòng)？,3-11,幾何條件：,能量條件：,shockley不全位錯(cuò),Franker不全位錯(cuò),全位錯(cuò),b=a/3和｛111｝面垂直。純?nèi)形诲e(cuò)。,b垂直于滑移面，不是fcc晶體的滑移方向，不能滑移，只可攀移。,shockley不全位錯(cuò),Franker不全位錯(cuò),全位錯(cuò),4、（3-8）比較刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)的異同點(diǎn)。,,刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)有什么異同點(diǎn)?,第四章 晶態(tài)固體中的擴(kuò)散,一、填空題 1、菲克第一定律描述的是 穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散 狀態(tài)下的擴(kuò)散規(guī)律；菲克第二定律描述的是 非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散 狀態(tài)下的擴(kuò)散規(guī)律。 2、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于給定方向的單位面積的凈原子數(shù)（擴(kuò)散通量/濃度）不隨時(shí)間變化 ；非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散是指 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于給定方向的單位面積的凈原子數(shù)（擴(kuò)散通量/濃度）隨時(shí)間變化。,3、Fick擴(kuò)散第二方程的高斯解適合求解總量為M的擴(kuò)散元素沉積為一薄層擴(kuò)散問(wèn)題 ；Fick擴(kuò)散第二方程的誤差函數(shù)解適合求解 無(wú)限長(zhǎng)棒（擴(kuò)散偶）或半無(wú)限長(zhǎng)棒的擴(kuò)散問(wèn)題。 4、擴(kuò)散的微觀機(jī)理有 空位擴(kuò)散 、 間隙擴(kuò)散、 位錯(cuò)擴(kuò)散 、 表面擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散 等。 5、空位擴(kuò)散的阻力比間隙擴(kuò)散 大 ，激活能 高。,6、在表面擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散、體擴(kuò)散、位錯(cuò)擴(kuò)散方式中，擴(kuò)散系數(shù)D最大的是 表面擴(kuò)散 。 7、在間隙固溶體中，H、O、C等原子以 間隙擴(kuò)撒機(jī)制 方式擴(kuò)散。 8、Cu-Al合金和Cu組成的擴(kuò)散偶發(fā)生柯肯達(dá)爾效應(yīng)，標(biāo)記向Cu-Al合金一側(cè)漂移，則 Al 的擴(kuò)散通量大。,9、上坡擴(kuò)散是指 物質(zhì)從低濃度向高濃度處聚集的反向擴(kuò)散。 10、擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是 化學(xué)位梯度 。 11、伴隨有反應(yīng)的擴(kuò)散稱為 反應(yīng)擴(kuò)散 。,二、計(jì)算題,（4-1）含0.85%C的普碳鋼加熱到900℃在空氣中保溫1小時(shí)后外層碳濃度降到零。 (a) 推導(dǎo)脫碳擴(kuò)散方程的解，假定t0時(shí)，x=0處，ρ=0。 (b) 假如要求零件外層的碳濃度為0.8%，表面應(yīng)車去多少深度？（900℃時(shí)， Dcγ=1.1×10 -7 cm2/s）,解：（1）,X=5.3×10-4 m=0.53 mm,t=1h=3600s,Dcγ=1.1×10 -7 cm2/s,（2）,（4-3）20鋼在930℃滲碳，表面碳濃度達(dá)到奧氏體中碳的飽和濃度Cs=1.4%，此時(shí)Dcγ=3.6×10 -2 mm2/h，若滲層深度定為從表面到碳含量0.4%的位置，求滲層深度與時(shí)間的關(guān)系。,4-3,0.4=1.4-(1.4-0.2)erf(β) erf(β)=0.83 β=0.97,解：可以用半無(wú)限長(zhǎng)棒的擴(kuò)散來(lái)解 ：,x ,t?? Cs=1.4%, C0=0.2%, C=0.4%, D=3.6×10-2mm2/h,(t: s),,（4-7）870℃滲碳與927℃滲碳相比較，優(yōu)點(diǎn)是熱處理產(chǎn)品晶粒細(xì)小，淬火后變形小。若已知D0=2.0×10 -5 m2/s，Q=140 KJ/mol， 求： （1）在上兩溫度下，碳在γ鐵中的擴(kuò)散系數(shù)。 （2）若忽略不同溫度下碳在γ鐵中的溶解度差別，870℃滲碳需用多少時(shí)間才能獲得927℃滲碳10小時(shí)的滲層厚度？,4-7,T1=870℃=1143K, T2=927 ℃=1200K D0=2.0×10-5m2/s, Q’=140kJ/mol=14×104J/mol,D1＝D0e－Q’/RT=2.0×10-5exp(-14×104/8.314×1143) =0.82×10-11(m2/s),D2＝D0e－Q’/RT=2.0×10-5exp(-14×104/8.314×1200) =1.61×10-11(m2/s),,（4-9）純鐵滲硼，900℃4h生成的Fe2B層厚度為0.068mm，960℃4h為0.14mm，假定Fe2B的生長(zhǎng)受擴(kuò)散速度的控制，求硼原子在Fe2B中的擴(kuò)散激活能Q。,4-9,D＝D0e－Q’/RT,T1=900℃=1173K, t1=4h, x1=0.068mm T2=960 ℃=1233K, t2=4h, x2=0.14mm Q?,Q=2.9×105J/mol,第五章 相與相平衡,一、填空題,1. 組元是組成材料最基本的、獨(dú)立存在的物質(zhì)，組元一般是化學(xué)元素或化合物 。 2. 相是 系統(tǒng)中成分、結(jié)構(gòu)相同，性能一致的均勻組成部分，不同相之間有界面分開(kāi)，相界處物質(zhì)的性能發(fā)生突變。相平衡是指各相的 化學(xué)熱力學(xué)平衡。 3. 組織是 由各種不同形貌及含量的相或組元所構(gòu)成的微觀圖像。 。 平衡凝固是指 極其緩慢 冷卻條件下的凝固。,4. 在二元系合金相圖中，杠桿法則只能用于 兩 相區(qū)。 5. 根據(jù)滲碳體的形狀，鋼中珠光體分為 片狀珠光體 和 球狀珠光體 兩種。 6. 根據(jù)含碳量，鋼分類為 亞共析鋼 、 共析鋼 和 過(guò)共析 鋼。 隨著碳含量的增加，鋼的硬度和塑性的變化規(guī)律是 硬度提高，塑性下降 。,7. 在三元系濃度三角形中，凡成分位于 過(guò)一頂點(diǎn)直線 上的合金，它們含有另兩個(gè)頂角所代表的兩組元含量之比相等。平行于一邊的任一直線上的合金，其成分共性為 含這個(gè)邊對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)的組元含量均相等 。 8. 根據(jù)三元相圖的垂直截面圖，可以分析 合金的凝固過(guò)程 。,9. 根據(jù)三元相圖的水平（等溫）截面圖，可以 用杠桿法則計(jì)算各相的相對(duì)量。 10. 二元合金相圖三相平衡轉(zhuǎn)變的類型主要有 共晶（析）反應(yīng)和 包晶（析）反應(yīng) 。三元合金相圖四相平衡轉(zhuǎn)變的類型主要有 共晶反應(yīng) ， 包共晶反應(yīng) 和 包晶反應(yīng) 。,二、改錯(cuò)題 1. 指出下列相圖中的錯(cuò)誤，說(shuō)明原因并加以改正，畫出正確的相圖。,,,,2. （5-6） 指出相圖中的錯(cuò)誤，說(shuō)明理由并改正。,5-6:,,三、分析計(jì)算 1. 下圖為A-B固溶體合金的相圖，試根據(jù)相圖確定：,(a) 成分為ω(B)=40%的合金首先凝固出來(lái)的固溶體成分； (b) 若首先凝固出來(lái)的固溶體成分含60%B，合金的成分為多少？ (c) 成分為70%B的合金最后凝固的液體成分； (d ) 合金成分為50%B，凝固到某溫度時(shí)液相含有40%B，固體含有80%B，此時(shí)液體和固體各占多少分?jǐn)?shù)？,(a) 成分為ω(B)=40%的合金首先凝固出來(lái)的固溶體成分； (a)80%b。 (b) 若首先凝固出來(lái)的固溶體成分含60%B，合金的成分為多少？ （b）20%b (c) 成分為70%B的合金最后凝固的液體成分； （c ）25%b。,L%=(80-50)/(80-40)=75% α%=(50-40)/(80-40)=25%,(d ) 合金成分為50%B，凝固到某溫度時(shí)液相含有40%B，固體含有80%B，此時(shí)液體和固體各占多少分?jǐn)?shù)？,2. （5-3） 畫出Pb-Sn相圖，標(biāo)出各相區(qū)存在的組織，指出組織中含βⅡ最多和最少的合金成分，指出共晶體最多和最少的合金成分。,,5-3: 含βII最多的成分：C點(diǎn)。最少為f點(diǎn)。 共晶體最多：成分 e點(diǎn)。 共晶體最少：c點(diǎn)以左，d點(diǎn)以右。,3. （5-4） 根據(jù)Pb-Sn相圖，說(shuō)明ω(Sn)=30%的Pb-Sn合金在下列溫度時(shí)，其組織中存在哪些相，并求相的相對(duì)含量。（1）高于300℃；（2）剛冷至183℃，共晶轉(zhuǎn)變尚未開(kāi)始；（3）在183℃共晶轉(zhuǎn)變完畢；（4）冷到室溫。,（1）300℃以上：液相L,,,（2）183℃，未共晶轉(zhuǎn)變：液相L＋α L%=cx/ec=(30-19)/(61.9-19)=25.6% α%=ex/ec=(61.9-30)/(61.9-19)=74.4%,X,5-4：,,,X,（3）183℃，共晶轉(zhuǎn)變完：相α＋β 組織：α＋（α＋β） α%=ex/ec=(61.9-30)/(61.9-19)=74.4% （α＋β）％＝ L%=cx/ec=(30-19)/(61.9-19)=25.6% 相α＋β（總） α%=dx/cd=(97.5-30)/(97.5-19)=86.0% β %=xc/cd= =(30-19) /(97.5-19)=14.0%,,,X,（α＋β） α%=ed/cd=(97.5-61.9)/(97.5-19)=45.3% β %=ce/cd= (61.9-19) /(97.5-19)=54.7% 總： α%= 25.6%× 45.3%+ 74.4%=86.0% β %= 25.6%× 54.7%=14.0%,(4)室溫相：α＋β α%=x’g/fg β %=fx’/fg,4. （5-7） 畫出簡(jiǎn)易的鐵碳相圖， （1）指出PSK、ECF各點(diǎn)成分、各線的反應(yīng)特征及反應(yīng)式； （2）標(biāo)出各相區(qū)的相組成物； （3）標(biāo)出各相區(qū)的組織組成物。,5－7,,,5－8,亞共析鋼組織：F+P 0.2%C: P%＝P4/PS =0.2/0.77=26% F%=74% 0.6%C: P%＝0.6/0.77=78% F%=22%,5－8,相：? ＋Fe3C 0.2%C: ? %＝(6.69-0.2)/6.69=97% Fe3C %=0.2/6.69=3% 0.6%C: Fe3C %＝0.6/6.69=9% F%=91%,1.0%C: 組織 P＋Fe3CII： P%=AK/SK=(6.69-1.0)/(6.69-0.77)=96% Fe3CII%=SA/SK=(1.0-0.77)/(6.69-0.77)=4%,相：? ＋Fe3C 1.0%C: Fe3C %＝1.0/6.69=15% F%=85%,5-9:,,,組織: P＋Fe3CII＋Ld’ : Ld’%=( 3.5-2.11)/(4.3-2.11)=63.5% A=36.5% Fe3CII %=(2.11-0.77)/(6.69-0.77) × 36.5%=8.3% P%=36.5-8.3=28.2%,相：? ＋Fe3C 3.5%C: Fe3C %＝3.5/6.69=52.3% F%=47.7%,組織: Fe3CI＋Ld’ : Ld’%=( 6.69-4.5)/(6.69-4.3)=91.6% Fe3CI %=(4.5-4.3)/(6.69-4.3)=8.4%,相：? ＋Fe3C 4.5%C: Fe3C %＝4.5/6.69=67% F%=33%,6. 如下相圖：（1）該相圖的組元是什么？ （2）標(biāo)出所有相區(qū)的組成相。 （3）指出該相圖中有何特征反應(yīng)，寫出反應(yīng)式。 （4）指出含80%的Al2O3時(shí)的室溫平衡組織，并計(jì)算組織組成物的相對(duì)含量。,(1)組元為：Al2O3，ZrO2；(2)標(biāo)注如圖： (3)特征反應(yīng)： 共晶反應(yīng),(4) 含80%的Al2O3時(shí) (20% ZrO2)室溫平衡組織： Al2O3+（Al2O3+ ZrO2） Al2O3%=(42.6-20)/42.6=53% （Al2O3+ ZrO2）%= 20/42.6=47%,7. 下圖為使用高純?cè)显诿芊鈼l件下的Al2O3—SiO2相圖，A3S2（3 Al2O3·2 SiO2）為莫來(lái)石固溶體，共晶成分E1點(diǎn)為10wt%Al2O3，含60%摩爾分?jǐn)?shù)Al2O3的A3S2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%。,要求： （1）填寫空白相區(qū)的相組成。 （2）寫出2個(gè)水平反應(yīng)線的反應(yīng)，并指出反應(yīng)類型。,E1: 共晶反應(yīng) E2:共晶反應(yīng),（3）一種由SiO2-30%Al2O3(wt%)構(gòu)成的耐高溫材料，分析其平衡凝固后的室溫組織是什么，并計(jì)算組織組成物的含量。該材料能否用來(lái)盛裝熔融態(tài)的鋼（1600℃）？在此情況下有多少百分率的耐熱材料會(huì)熔化？,（3）SiO2-30%Al2O3(wt%)材料， 平衡凝固后的室溫組織： A3S2+（A3S2+SiO2） A3S2%=(30-10)/(75-10)=30.8% （A3S2+SiO2）%=(75-30)/(75-10)=69.2% 不能盛裝熔融態(tài)的鋼（1600℃），會(huì)熔化。 有69.2%的耐熱材料會(huì)熔化。,8. （5-14） 下圖為A-B-C 三元共晶相圖的投影圖，指出n1、n2、n3(E)、n4點(diǎn)從液態(tài)平衡冷卻結(jié)晶的室溫相和組織組成物，并分別計(jì)算相和組織的相對(duì)含量。,5-14,組織組成物： n1：A+(A+B+C) n2：B+(B+C)+(A+B+C) n3： (A+B+C) n4：(A+B)+(A+B+C),相組成物： A+B+C,5-14,n1：,相組成物： A+B+C,5-14,n1：,組織組成物： A+(A+B+C),5-14,n2,相組成物： A+B+C,5-14,n2,組織組成物： B+(B+C)+(A+B+C),n3,相組成物： A+B+C,5-14,組織組成物： n3： (A+B+C) 100%,n4,5-14,相組成物： A+B+C,組織組成物： (A+B)+(A+B+C),9. 下圖為某三元相圖投影圖上3條液相單變量線及其溫度走向，判斷四相平衡反應(yīng)類型，寫出反應(yīng)式。,共晶反應(yīng),包共晶反應(yīng),包晶反應(yīng),,10. 下圖是MgO-Al2O3-SiO2三元系相圖的平面投影圖及局部放大圖，寫出四相平衡點(diǎn)處代表的反應(yīng)特征及反應(yīng)式。,第六章 材料的凝固,1、凝固過(guò)程包括 形核 和 長(zhǎng)大 2個(gè)過(guò)程。 2、材料的凝固的驅(qū)動(dòng)力是 液固相變自由能差 ，阻力是 界面能 。 3、凝固形核的方式有 均勻形核 和 非均勻形核 ，其中 非均勻形核 的臨界形核功較小。 4、均勻形核時(shí)液、固兩相自由能差只能補(bǔ)償表面能的（2/3），其他靠系統(tǒng)中的 （能量起伏）補(bǔ)償。,5、液/固界面的微觀結(jié)構(gòu)分為 粗糙界面 和 光滑界面 。 6、在正溫度梯度下，晶體生長(zhǎng)成 平直 界面；負(fù)溫度梯度下成長(zhǎng)時(shí)，一般金屬界面都呈 樹(shù)枝 狀。 7、在正的溫度梯度下，純金屬以 平面 狀形式長(zhǎng)大，固溶體合金由于存在 成分過(guò)冷 以 樹(shù)枝 狀形式長(zhǎng)大。 8、固溶體結(jié)晶的形核條件是 結(jié)構(gòu)起伏 、 能量起伏 、 溫度場(chǎng) 、 成分過(guò)冷 和 過(guò)冷度 。,9、固溶體結(jié)晶與純金屬結(jié)晶的差異表現(xiàn)為溫度場(chǎng)、 濃度場(chǎng) 及成分過(guò)冷現(xiàn)象。 10、平衡結(jié)晶是指 無(wú)限緩慢 冷卻，組元間互擴(kuò)散 充分，每個(gè)階段都達(dá)到 平衡相均勻成份。 11、晶內(nèi)偏析（枝晶偏析）是一個(gè)晶粒內(nèi)部出現(xiàn)的成份不均勻現(xiàn)象 。 消除晶內(nèi)偏析（枝晶偏析）方法擴(kuò)散退火或均勻化退火。 12、宏觀偏析是非平衡凝固條件下，沿長(zhǎng)度方向上溶質(zhì)的偏析（富集）現(xiàn)象。 13、對(duì)于ko＜1的合金棒，從左端向右端區(qū)域提純，雜質(zhì)元素會(huì)富集于 右 端。,14、固溶體不平衡凝固時(shí)， 凝固速度很慢，充分對(duì)流、攪拌，擴(kuò)散很快混合均勻 條件下凝固后溶質(zhì)分布愈不均勻，宏觀偏析愈嚴(yán)重。 15、成分過(guò)冷是 由液相濃度變化引起熔點(diǎn)變化，與實(shí)際溫度分布之差決定的特殊過(guò)冷現(xiàn)象。 16、界面前沿溫度梯度G 越小，凝固速度R越大，成分過(guò)冷傾向大。 17、液-固界面前沿成分過(guò)冷區(qū)越大，晶體越易長(zhǎng)成 樹(shù)枝狀 形貌。,18、常見(jiàn)的共晶組織形態(tài)有片層狀、棒條狀、球狀、針狀、螺旋狀 等。 19、鑄錠組織包括激冷層（表面細(xì)晶區(qū)） 、 柱狀晶區(qū) 和 中心等軸晶區(qū) 三個(gè)晶區(qū)。 20、對(duì)于液-固相變過(guò)程可通過(guò)控制過(guò)冷度來(lái)獲得數(shù)量和尺寸不等的晶體，要獲得晶粒多而尺寸小的細(xì)晶，則△T 大 。,第七章 晶態(tài)固體材料中的界面,1、表面能來(lái)源于 表面原子一側(cè)無(wú)原子鍵結(jié)合（斷鍵），能量較高 ；一般地，割斷的鍵數(shù) 越多，表面能越高。最密排 表面，割斷的鍵數(shù) 少 ，表面能最低。因此，晶體的外表面一般為 最密排面 。 2、根據(jù)晶粒取向差的大小，晶界分為 小角晶界 和 大角晶界 。 3、小角晶界分為 傾轉(zhuǎn)晶界 和 扭轉(zhuǎn)晶界 。傾轉(zhuǎn)晶界由 刃位錯(cuò)構(gòu)成，扭轉(zhuǎn)晶界由 螺 位錯(cuò)構(gòu)成。,4、晶界遷移的驅(qū)動(dòng)力是 變形儲(chǔ)存能 和 彎曲界面化學(xué)位差 。晶界移動(dòng)的結(jié)果是小晶粒 消失（更?。?，大晶粒 長(zhǎng)大 。 5、根據(jù)兩相界面上的原子排列情況，相界分為共格相界，半共格相界 和 非共格相界 。 6、單相多晶體平衡時(shí)一般規(guī)律是兩個(gè)晶粒相遇于 晶面，三個(gè)晶粒相遇于 晶棱 ，四個(gè)晶粒相遇于 角隅 。 7、在晶粒內(nèi)部形成第二相時(shí)，若第二相和基體之間的界面能大，則其形狀一般為 球狀 ，若要減少?gòu)椥詰?yīng)變能，一般會(huì)長(zhǎng)成 薄片（圓盤） 形狀 。,祝同學(xué)們: 學(xué)有所成！ 考試順利！,