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        太原理工大學材料科學基礎習題及參考答案 - 圖文 下載本文

        習 題

        4-1 w(C)=0.85%的普碳鋼加熱到900℃在空氣中保溫1h后外層碳濃度降到零,假如要求零件表層的碳濃度為0.8%,表面應車去多少深度? (已知900℃時,Dcγ = 1.1×10-7cm2/s).

        4-2 純鐵在950℃滲碳10h,所用滲碳氣氛足以維持表面碳濃度為1.1%,分別求距表面0.5、1.0、1.2、1.5、2.0 mm處的碳濃度,然后作出滲層內碳的濃度分布曲線.(已知950℃時,Dcγ = 5.8×10-2 mm2/h)

        4-3 20鋼在930℃滲碳,若滲層深度定為從表面起測量到碳含量為0.4%的位置,求滲層深度與時間的關系.(設氣氛的滲碳能力很強,可使表面碳濃度達到奧氏體中碳的飽和值Cs=1.4%,此時Dcγ=3.6×10-2/h)

        4-4 在一純鐵管內通入增碳氣氛,管外為脫碳氣氛,管子外徑為1.11 cm,內徑為0.86 cm,長10 cm,100h后,共有3.6 g碳流經過管子,測得管子不同半徑處的含碳量(質量分數)如下表,試計算不同含碳量的擴散系數,并作出D—C曲線. r/cm w/%

        0.553 0.28

        0.540 0.46

        0.537 0.65

        0.516 0.82

        0.491 1.09

        0.479 1.20

        0.466 1.32

        0.449 1.42

        4-5 試說明鋼的常規滲碳為什么在奧氏體狀態下進行而不在鐵素體狀態下進行.

        4-6 鑄態鋼鋅合全存在晶內偏析,最大成分差達w(Zn)=5%.含鋅最高處與最低處相距0.1 mm,試求850℃均勻化退火使最大成分差降至w(Zn)=1%所需時間.(已知鋅在銅中擴散時,D0=2.1×10-5 m2·s-1,Q = 171kJ/mol)

        4-7 870℃滲碳與927℃滲碳相比較,優點是熱處理產品晶粒細小,且淬火后變形較小. (1) 討論上述兩種溫度下,碳在γ鐵中的擴散系數.(已知D0=2.0×10-5m2/s,Q=140 kJ/mo1) (2) 870℃滲碳需用多少時間才能獲得927℃滲碳10h的滲層厚度? (不同溫度下碳在γ鐵中溶解度的差別可忽略不計) 4-8 設純鐵和純鉻組成擴散偶擴散l h后,Kirkendall標志面移動了1.52×10-3cm,已知摩爾分數C(Cr)=0.478時,?C/?x=126/cm,互擴散系數D=1.34×10-9cm2/s,試求Kirkendall標志面的移動速度和鐵、鉻的本征擴散系數D(Cr)、D(Fe). (實驗測得Kirkendall標志面移動距離的平方與擴散時間之比為常數) 4-9 純鐵滲硼,900℃ 4h生成的Fe2B層厚度為0.068 mm,960℃ 4h為0.14 mm, 假定Fe2B的生長受擴散速度的控制,求出硼原子在Fe2B中的擴散激活能Q.

        4-10 非定比過渡族金屬氧化物因為有變價陽離子,故陽離子空位濃度比較大(例如Fe1-xO含有5% ~ 15%的鐵空位).氧溶解在金屬氧化物MO中的溶解反應為2MM +

        1O2(g) =OO +V’’M + 2M’M,式中M’M=MM + h·,h·為2電子空穴.在平衡時,由上述溶解反應控制缺陷濃度,試求陽離子的擴散系數.

        參考答案:

        4-1 解: 由公式 C = C1 – ( C1 – C2) erf

        x2Dt 可得 x = 16.85 mm

        即表面應車去的深度為16.85 mm.

        4-2 解:距表面距離 x = 0.5 mm時,碳濃度 C = 0.706 %

        距表面距離 x = 1.0 mm時,碳濃度 C = 0.387 % 距表面距離 x = 1.2 mm時,碳濃度 C = 0.289 % 距表面距離 x = 1.5 mm時,碳濃度 C = 0.1778 % 距表面距離 x = 2.0 mm時,碳濃度 C = 0.067 % 4-3 解:滲層深度與時間的關系:x = 0.368t.

        4-5 結構不同的固溶體對擴散元素的溶解度是不同的,由此所造成的濃度梯度不同,也會影響擴散速率。 4-7 解:(1) D927℃ > D870℃

        (2) 已知:T1 = 927℃ = 1200 K,T2 = 870℃ = 1143 K,t1 = 10 h,

        由 D = D0 exp ??C1?Cx?Q? = erf ? 和

        C?CRT2Dt??125

        并且 x1?x2 代入數據可得:

        t2 = 20.1 h.

        第五章 相平衡與相圖

        習 題

        5-1 什么是凝聚系統? 什么是組元? 什么是相? 組成相與組元有什么不同?

        5-2 何所謂平衡狀態? 影響平衡的因素有哪些? 什么是相律?它有什么實際意義?

        5-3 畫出Pb-Sn相圖,標出各相區存在的組織,指出組織中含β??最多和最少的成分,指出共晶體最多和最少的成分.

        5-4 根據Pb-Sn相圖,說明w (Sn) = 30% 的Pb-Sn合金在下列溫度其組織中存在哪些相,并求相的相對含量.

        (1) 高于300℃;

        (2) 剛冷至183℃ (共晶轉變尚未開始); (3) 在183℃共晶轉變完畢;

        (4) 冷到室溫.

        5-5 已知A組元的熔點為1000℃,B組元的熔點為700℃,

        在800℃時發生:α ( wB = 5% ) + L ( wB = 50% ) β ( wB = 30% ) 在600℃時發生:L( wB = 80% ) β ( wB = 60% ) + γ (wB = 95%) 在400℃時發生:β ( wB = 50% ) α ( wB = 2% ) + γ (wB = 97%) 注明以上各反應的類型并根據這些數據繪出A-B二元相圖. 5-6 指出題圖5-1相圖中的錯誤,說明理由并加以改正.

        5-7 畫出Fe-Fe3C相圖指出:S、C、J、H、E、P、N、G以及GS、SE、PQ、HJB、PSK、ECF各點、線的意義,并標出各相區的相組成物和組織組成物.

        5-8 分析w(C)=0.2%、w(C)=0.6%、w(C)=1.0% 的鐵碳合金從液態平衡冷卻到室溫的轉變過程,用冷卻曲線和組織示意圖說明各階段的組織.并分別計算室溫下的相組成物和組織組成物.

        5-9 分析w(C)=3.5%、w(C)=4.5% 鐵碳合金從液態平衡結晶過程,畫出冷卻曲線和組織變化示意圖,并計算室溫下的組織組成物和相組成物的含量. 5-10 Fe-Fe3C合金中的一次滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳體、共晶滲碳體、共析滲碳體的主要區別是什么? 根據Fe-Fe3C相圖計算二次滲碳體和三次滲碳體的最大百分含量.

        5-11 萊氏體與變態萊氏體的主要區別是什么?變態萊氏體的共晶滲碳體和共析滲碳體的含量各為多少? 5-12 Fe-C相圖和Fe-Fe3C相圖二者的主要區別是什么? 分析并說明灰口鑄鐵的石墨化過程. 5-13 白口鑄鐵、灰口鑄鐵和鋼三者的成分組織和性能有什么不同?

        5-14 根據A-B-C三元共晶投影圖 (題圖5-2) 分析合金n1、n2 、n3 ( E點)3個合金的結晶過程,求出其結晶完成后的組織組成物和相組成物的含量并作出Bb變溫截面.

        5-15 繪出題圖5-3中1、2、3、4合金冷卻曲線和室溫下的組織示意圖.

        5-16 在A1-Cu-Mg三元系液相面投影圖 (圖5-99) 中標出 w(Cu) = 5%,w(Mg) = 5%,w(A1) = 90% 和 w(Cu)=20%,w(Mg) = 20%,w(A1) = 60% 兩個合金的成分點,并指出其初生相及開始結晶的溫度.

        5-17 試根據Fe-Fe3C相圖作鐵碳合金在950、860、727以及600℃時各有關相的自由能-成分[ w(C) ] 曲線(示意圖).

        5-18 試用自由能--成分曲線解釋鐵碳雙重相圖中的虛線位于實線的右上方的原因.

        5-19 分折討論題圖5-4形成多種不穩定化合物的相圖 ( BaO-TiO2系相圖).

        6

        參考答案:

        5-1 凝聚系統—沒有氣相的系統。

        組元-組成合金的各種化學元素或化合物。

        相-合金內部具有相同的(或連續變化的)成分、結構和性能的部分或區域。

        5-2 相律-處于熱力學平衡狀態的系統中自由度f與組元數c和相數p之間的關系定律。 吉布斯相律數學表達式: f=c-p+n

        5-3 如P159 圖5-19 Pb-Sn相圖,含βⅡ最多和最少的成分點分別為19 % Sn 和 f 點.含共晶體最多和最少的成

        分點分別為61.9 % Sn和接近c、d點. 5-4 (1) 100% 液相;

        (2) L、α相 L % = 25.6 % α % = 74.4 % (3) α、β相 α = 86 % β = 14% (4) α、β相 α = 71.4 % β = 28.6 %

        5-8 w(C)=0.2%: α = 97.3% Fe3C = 2.7% α = 72.6% P = 23.85

        w(C)=0.6%: α = 91.3% Fe3C = 8.7% α = 22.7% PⅠ= 77.3%

        w(C)=1.0%: α = 85.3% Fe3C = 14.7% P = 82.8% Fe3CⅡ= 17.2% 5-9 w(C)=3.5%: α = 47.8% Fe3C = 52.2%

        P = 28.28% Fe3CⅡ= 8.25% Le = 63.47% w(C)=4.5%: α = 32.8% Fe3C = 67.2% Le = 91.6% Fe3CⅠ= 8.4% 5-10 一次滲碳體:從液相中直接結晶出,呈粗大長條狀;

        二次滲碳體:沿奧氏體晶界析出,呈網狀;

        三次滲碳體:從基體相鐵素體晶界上析出,呈細片狀; 共析滲碳體:共析反應后形成的滲碳體,呈片層狀;

        共晶滲碳體:共晶反應后形成的滲碳體,是連續的基體組織。 Fe3CⅡmax = 22.6 % Fe3CⅢ max = 0.326 %

        5-14 合金n1、n2、n3 結晶完成后的相組成都為A、B、C三元相,各自含量為:

        7

        n1:WA =

        n1a1nbnc× 100% WB = 11× 100% WC = 11× 100% Aa1Bb1Cc1nbncn2a2× 100% WB = 22× 100% WC = 22× 100%

        Cc2Aa2Bb2n3a3nbnc× 100% WB = 33× 100% WC = 33× 100% Aa3Bb3Cc3 n2:WA =

        n3:WA =

        組織組成及相對含量為:

        n1:A+(A+B+C) WA =

        n1EAn1× 100% W(A+B+C) = × 100% AEAE n2:B+(B+C)+(A+B+C) WB =

        n2mng× 100% W(A+B+C) = WLE =2× 100% BmEgn2mn2g- )× 100% BmEg W(B+C) = (1-

        n3:(A+B+C) W(A+B+C) = 100%

        第六章 材料的凝固

        習 題

        6-1 試證明金屬均勻形核時?Gc= (1/2) Vc?GV,非均勻形核時 ?Gc* 與V * 又是什么關系? 6-2 說明固溶體合金結晶時濃度因素在晶體形核及長大過程中的作用.

        6-3 在A-B二元共晶系中說明共晶成分的合金在 T1 ( < TE ) 溫度下發生共晶轉變時共晶體內的兩個相互激發形核及合作協調,匹配長大的原理.

        6-4 在C0成分單相合金的棒料中存在成分不均勻,請指出為使之均勻化和提純金屬所采用的方法和措施. 6-5 為使固溶體合金在凝固中使晶體呈柱狀樹枝狀生長應采取什么措施,而欲使生長界面保持穩定又采取什么措施?

        6-6 說明玻璃態結構和性能上的特性,什么材料容易獲得非晶固態,為什么? 6-7 說明Tm、Tg、Tf的物理意義和本質,分別為哪些材料所具有.

        6-8 與金屬材料比較,說明在結晶動力學上硅酸鹽和聚合物的結晶過程的特點.聚合物的晶區與一般金屬材料中的晶體比較有什么特性? 哪些因素影響聚合物結晶過程及結晶度? 6-9 用分子運動來說明非晶聚合物3種物理狀態的特性及形變機理. 6-10 說明橡膠態、皮革態及玻璃態出現的條件.

        6-11 高彈態的本質是什么? 什么條件下聚合物才充分表現出它的高彈性?

        6-12 從金屬、硅酸鹽和高聚物材料的結構、熔體特性來分析這3類材料的結晶有什么共性和個性.

        參考答案:

        6-1 證明: 金屬均勻形核時,

        因為臨界晶核半徑

        16??32? 臨界形核功 ?GC? ?C??GV3(?GV)2 故臨界晶核體積 VC?2?GC41??C3? 所以 ?GC?VC?GV

        23?GV 非均勻形核時,有同樣的關系式:

        8





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