材料科学基础相图习题.docx

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材料科学基础相图习题

1．下图为一匀晶相图，试根据相图确定：

（1）wB＝0.40的合金开始凝固出来的固相成分为多少？

（2）若开始凝固出来的固体成分为wB＝0.60，合金的成分为多少？

（3）成分为wB＝0.70的合金最后凝固时的液体成分为多少？

（4）若合金成分为wB＝0.50，凝固到某温度时液相成分wB＝0.40，固相成分为wB＝0.80，此时液相和固相的相对量各为多少?

2．Mg—Ni系的一个共晶反应为：

（570℃）

设wNi1＝C1为亚共晶合金，wNi2＝C2为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的质量分数相等，但C1合金中的α总量为C2台金中α总量的2.5倍，试计算C1和C2的成分。

3．根据A-B二元相图

（1）写出图中的液相线、固相线、α和β相的溶解度曲线、所有的两相区及三相恒温转变线；

（2）平衡凝固时，计算A-25B（weight%）合金（y’y线）凝固后粗晶β相在铸锭中的相对含量；

（3）画出上述合金的冷却曲线及室温组织示意图。

4．根据如图所示的二元共晶相图

（1）分析合金I，II的结晶过程，并画出冷却曲线；

（2）说明室温下合金I，II的相和组织是什么，并计算出相和组织组成物的相对含量？

（3）如果希望得到共晶组织加上5％的初的合金，求该合金的成分。

（4）合金I，II在快冷不平衡状态下结晶，组织有何不同？

5．指出下列相图中的错误：

（d）

6.试述二组元固溶体相的吉布斯（Gibbs）自由能-成分曲线的特点?

1．下图为一匀晶相图，试根据相图确定：

（1）wB＝0.40的合金开始凝固出来的固相成分为多少？

（2）若开始凝固出来的固体成分为wB＝0.60，合金的成分约为多少？

（3）成分为wB＝0.70的合金最后凝固时的液体成分约为多少？

（4）若合金成分为wB＝0.50，凝固到某温度时液相成分wB＝0.40，固相成分为wB＝0.80，此时液相和固相的相对量各为多少?

第1题答案

2．Mg—Ni系的一个共晶反应为：

（570℃）

设wNi1＝C1为亚共晶合金，wNi2＝C2为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的质量分数相等，但C1合金中的α总量为C2台金中α总量的2.5倍，试计算C1和C2的成分。

第2题答案

3．根据A-B二元相图

（1）写出图中的液相线、固相线、α和β相的溶解度曲线、所有的两相区及三相恒温转变线；

（2）平衡凝固时，计算A-25B（weight%）合金（y’y线）凝固后粗晶β相在铸锭中的相对含量；

（3）画出上述合金的冷却曲线及室温组织示意图。

第3题答案

4．根据如图所示的二元共晶相图

（1）分析合金I，II的结晶过程，并画出冷却曲线；

（2）说明室温下合金I，II的相和组织是什么，并计算出相和组织组成物的相对含量？

（3）如果希望得到共晶组织加上5％的初的合金，求该合金的成分。

（4）合金I，II在快冷不平衡状态下结晶，组织有何不同？

第4题答案：

第4题：

5．指出下列相图中的错误：

（d）

第5题答案：

（a）:

α、γ相区间应有两相区。

即相图中违反了“邻区原则”。

（b）:

二元系中不可能有四相平衡，即违反了“相律”。

（c）:

纯组元A在1个温度范围内结晶，这是违反相律的。

（d）:

二元系中三相平衡时，3个相都必须有确定的成分。

图中液相上的成分是范围，这是错误的。

6.试述二组元固溶体相的吉布斯（Gibbs）自由能-成分曲线的特点?

第6题答案：

7．组元A和B的熔点分别为700℃和500℃，在液态完全互溶，在固态部分互溶形成α和β固溶体，其最大溶解度分别为为5％B和25％A（重量），在零度时溶解度则为2％B和5％A（重量）。

两金属形成熔点为750℃的A2B化合物，A和B的原子量分别为30和50。

在450℃和320℃分别发生液体成分为22％B和60％B（重量）的共晶转变。

（1）试根据相律绘成平衡相图并标注各相区符号及特征点的温度和成分。

（2）如果希望得到A2B化合物与β共晶组织加上5％的初的合金，求该合金的成分。

05硕士

答案：

（1）相图

，x为A原子重量百分比。

设合金的成分为x，由题意：

Wβ初=（x-0.6）/（0.75-0.6）=5%

x=5%*15%+60%=0.75%+60%=60.75%

8．综述金属结晶过程形核的热力学条件、能量条件和结构条件。

答：

必须同时满足以下四个条件，结晶才能进行。

（1）热力学条件为G<0。

只有过冷（热过冷）才能使G<0。

因为Gv＝－LmT/Tm（T为过冷度），即金属结晶时，实际开始结晶的温度必须低于理论结晶已度（即T＞0）。

（3）能量条件为具有能量起伏。

一个临界晶核形成时，五分之一的表面能要靠能量起伏来提供。

（4）结构条件为具有结构起伏。

液态金属中规则排列的原子集团时聚时散的现象。

它是结晶核心形成的基础。

结晶—金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于固态金属是晶体故又把凝固称为结晶。

重结晶—指在固态状态下，物质由一种结构转变成另一种结构，这是一种固态相变过程。

再结晶—将冷压力加工以后的金属加热到一定温度后，在变形的组织中重新产生新的无畸变的等轴晶粒、性能恢复到冷压力加工前的软化状态的过程。

在此过程中，仍然属于固态过程。

三者的区别于联系：

结晶、重结晶发生相变过程，再结晶没有；结晶、重结晶和再结晶都是形核与长大的过程。

发生结晶与重结晶的驱动力为反应相与生成相的自由能差，再结晶为储存能。

再结晶后强度、硬度下降而塑韧性提高，而重结晶则属于同素异构转变。

第九章烧结；1、解释下列名词；

（1）烧结：

粉料受压成型后在高温作用下而致密化的；烧成：

坯体经过高温处理成为制品的过程，烧成包括多；变化；部分；

（2）晶粒生长：

无应变的材料在热处理时，平均晶粒；况下，连续增大的过程；二次再结晶：

少数巨大晶粒在细晶消耗时成核长大过程；（3）固相烧结：

固态粉末在适当的温度、压力、气氛；气孔之间的传质，变为坚硬、致密烧结体的过程；液

第九章烧结

1、解释下列名词

（1）烧结：

粉料受压成型后在高温作用下而致密化的物理过程。

烧成：

坯体经过高温处理成为制品的过程，烧成包括多种物理变化和化学

变化。

烧成的含义包括的范围广，烧结只是烧成过程中的一个重要

部分。

（2）晶粒生长：

无应变的材料在热处理时，平均晶粒尺寸在不改变其分布的情

况下，连续增大的过程。

二次再结晶：

少数巨大晶粒在细晶消耗时成核长大过程。

（3）固相烧结：

固态粉末在适当的温度、压力、气氛和时间条件下，通过物质与

气孔之间的传质，变为坚硬、致密烧结体的过程。

液相烧结：

有液相参加的烧结过程。

2、详细说明外加剂对烧结的影响?

答：

（1）外加剂与烧结主体形成固溶体使主晶格畸变，缺陷增加，有利结构基元

移动而促进烧结；

（2）外加剂与烧结主体形成液相，促进烧结；

（3）外加剂与烧结主体形成化合物，促进烧结；

（4）外加剂阻止多晶转变，促进烧结；

（5）外加剂起扩大烧结范围的作用。

3、简述烧结过程的推动力是什么?

答：

能量差，压力差，空位差。

4、说明影响烧结的因素？

答：

（1）粉末的粒度。

细颗粒增加了烧结推动力，缩短原子扩散距离，提高颗粒

在液相中的溶解度，从而导致烧结过程的加速；

（2）外加剂的作用。

在固相烧结中，有少量外加剂可与主晶相形成固溶体，促

进缺陷增加，在液相烧结中，外加剂改变液相的性质（如粘度，组成等），促进烧结。

（3）烧结温度：

晶体中晶格能越大，离子结合也越牢固，离子扩散也越困难，

烧结温度越高。

（4）保温时间：

高温段以体积扩散为主，以短时间为好，低温段为表面扩散为

主，低温时间越长，不仅不引起致密化，反而会因表面扩散，改变了气孔的形状而给制品性能带来损害，要尽可能快地从低温升到高温，以创造体积扩散条件。

（5）气氛的影响：

氧化，还原，中性。

（6）成形压力影响：

一般说成型压力越大颗粒间接触越紧密，对烧结越有利。

5、在扩散传质的烧结过程中，使坯体致密的推动力是什么？

哪些方法可促进烧

结？

说明原因。

答：

在扩散传质的烧结过程中，系统内不同部位（颈部、颗粒接触点、颗粒内部）

空位浓度不同，导致原子或质点由颗粒接触点向颈部迁移，填充到气孔中。

因此使坯体致密化的推动力是空位浓度差。

对于扩散传质：

（1）控制原料的起始粒度非常重要，颗粒细小的原料可促进烧结，因为颈部增长速率x/r与原料起始粒度r的3/5次方成反比；

（2）温度对烧结过程有决定性作用，扩散系数与温度呈指数关系，因此提高温度可加速烧结。

6、固相烧结与液相烧结的主要传质方式？

固相烧结与液相烧结之间有何相同与不

同之处？

答：

固相烧结的主要传质方式有蒸发-凝聚传质和扩散传质，液相烧结的主要传质

方式有溶解-沉淀传质和流动传质。

固相烧结与液相烧结的共同点是烧结的推动力都是表面能；烧结过程都是由颗粒重排、物质传递与气孔充填、晶粒生长等阶段组成。

不同点是：

由于流动传质比扩散传质速度快，因而致密化速率高；固相烧结主要与原料粒度和活性、烧结温度、气氛成型压力等因素有关，液相烧结与液相数量、液相性质、液-固润湿情况、固相在液相中的溶解度等有关。

7、氧化铝烧结到接近理论密度时，可使可见光几乎透过100％，用它来装钠蒸气

（在超过大气压的压力下）作为路灯。

为通过烧结实现这一点，请你列出研究方案。

答：

制备透明氧化铝陶瓷的主要技术措施是：

（1）采用高纯氧化铝原料，Al2O3>99.9%，无杂质和玻璃相；

（2）添加0.1～0.5%MgO，在晶粒表面生成镁铝尖晶石，降低晶界移动速度，抑制晶粒生长；

（3）在氢气或真空中烧结，促进气孔扩散；

（4）采用热压烧结，提高制品致密度。

8、试述烧结的推动力和晶粒生长的推动力，并比较两者之大小。

答：

烧结推动力是粉状物料的表面能（γsv）大于多晶烧结体的晶界能（γgb），即

γsv>γgb。

生长的推动力是晶界两侧物质的自由焓差，使界面向晶界曲率半径小的晶粒中心推进。

烧结的推动力较大，约为4~20J/g。

晶粒生长的推动力较小，约为0.4~2J/g，因而烧结推动力比晶粒生长推动力约大十倍。

9、99％A12O3瓷的烧结实验测得在1350℃烧结时间为10min时，收缩率ΔL／L

为4%；烧结时间为45min，收缩率为7.3%。

试求这种氧化铝瓷烧结的主要传质方式是哪一种？

答：

Al2O3瓷烧结的主要传质方式是扩散传质。

10、烧结推动力是什么?

它可凭哪些方式推动物质的迁移，各适用于何种烧结机

理?

解:

烧结的推动力从广义上讲是化学位移梯度，具体的是系统的表面能；主要以

流动传质，扩散传质，气象传质，溶解-沉淀方式推动物质迁移。

其中：

固相烧结中传质机理：

（1）流动传质

（2）扩散传质

（2）气相传质。

液相烧结中的传质机理

（1）流动传质

（2）溶解-沉淀

11、烧结过程是怎样产生的，各阶段的特征是什么?

解：

烧结过程是经过成型的固体粉状颗粒在加热到低于熔点温度的温度下，产生

颗粒粘结；通过物质传递，使成型题逐渐变成具有一定几何形状和性能的整体的过程。

烧结初期：

颗粒仅发生重排和键和，颗粒和空隙形状变化很小，颈部相对变

化x/r<0.3，线收缩率小于0.06。

烧结中期：

（1）烧结中期，颈部进一步扩大，颗粒变形较大，气孔由不规则

的形状逐渐变成由三个颗粒包围的，近似圆柱形的气孔，且

气孔是联通的。

（2）晶界开始移动，颗粒正常长大。

与气孔接触的颗粒表面为空

位源，质点扩散以体积扩散和晶界扩散为主而扩散到气孔表

面，空位返乡扩散而消失。

（3）坯体气孔率降为5%左右，收缩达90%。

烧结末期：

（1）进入烧结末期，气孔封闭，相互孤立，理想情况为四个颗粒包

围，近似球状。

（2）晶粒明显长大，只有扩散机理是重要的，质点通过晶界扩散和

体积扩散，进入晶界间近似球状的气孔中。

（3）收缩率达90~100%，密度达理论值的95%以上。

12、下列过程中哪一个能使烧结体强度增大，而不产生坯体宏观上的收缩?

试说

明之。

（a）蒸发冷凝；（b）体积扩散；（c）粘性流动；（d）表面扩散；（e）溶解沉淀

解：

a，d能使烧结体强度增大，而不会产生坯体宏观上的收缩。

因为这两种物质

传递仅涉及坯体表面形状的变化，而并没有涉及到坯体内部气孔体积的变化。

这样，坯体表面颗粒间接触面积增大，粘附力增加，从而使烧结体强度增大，但不产生坯体宏观上的收缩。

13、有人试图用延长烧结时间来提高产品致密度，你以为此法是否可行，为什么？

解：

延长烧结时间一般都为不同程度地促使烧结完成，但对粘性流动机理的烧结

较为明显，而对体积扩散和表面扩散机理影响较小。

对体积扩散和表面扩散，低温下以表面扩散为主，高温下以体积扩散为主，而表面扩散并不改变为坯体的致密度，因此，可适当延长高温烧结时间。

另外，在烧结后期，不合理的延长烧结时间，有时会加剧二次再结晶作用，反而得不到充分致密的制品。

14、材料的许多性能如强度、光学性能等要求其晶粒尺寸微小且分布均匀，工艺

上应如何控制烧结过程以达到此目的?

解:

（1）晶粒的大小取决于起始晶粒的大小，烧结温度和烧结时间；

（2）防止二次再结晶引起的晶粒异常长大。

15、试分析二次再结晶过程对材料性能有何种效应?

解：

二次再结晶发生后，由于个别晶粒异常长大，气孔进入晶粒内部，成为孤立

闭气孔，不易排除，使烧结速率降低甚至停止，坯体不再致密；加之大晶粒的晶界上有应力存在，使其内部易出现隐裂纹，继续烧结时坯体易膨胀而开裂，使烧结体的机械、电学性能下降。

16、特种烧结和常规烧结有什么区别?

试举例说明。

解：

常规烧结过程主要是基于颗粒间的接触与键合，以及在表面张力推动下物质

的传递过程。

其总体的推动力由系统表面能提供。

这就决定了其致密化是有一定限度的。

常规条件下坯体密度很难达到理论密度值。

对于特种烧结，它是为了适应特种材料对性能的要求而产生的。

这些烧结过程除了常规烧结中由系统表面能提供的驱动力之外，还由特殊工艺条件增加了系统烧结的驱动力，因此提高了坯体的烧结速率，大大增加了坯体的致密化程度。

例如热压烧结，它是加压成型与加压烧结同时进行的一种烧结工艺。

由于同时加温加压，有利于粉末颗粒的接触、扩散和流动等传质过程，降低了烧结温度和烧结时间，抑制了晶粒的长大。

其容易获得接近理论密度、气孔率接近零的烧结体。

17、（a）烧结MgO时加入少量FeO，在氢气氛和氧分压低时都不能促进烧结，

只有在氧分压高的气氛下才促进烧结；

（b）烧结Al2O3时，氢气易促进致密化而氮气妨碍致密化。

试分析其原因。

解：

（a）对FeO，易形成负离子过剩型非化学计量化合物，其缺陷反应式为：

112FeFe?

O2（g）?

2FeFe?

?

OO?

VFe''或O2（g）?

OO?

VFe''?

2h?

，另外，22

在MgO的烧结中是正离子起扩散起控制作用的烧结过程，因而氧气氛

和氧分压较高是有利的。

（b）烧结氧化铝Al2O3时，由于氢原子半径很小，扩散系数较大，易于扩散

而有利于闭气孔的清除；而原子半径大的氮则由于其扩散系数较小难

于扩散而阻碍烧结。

18、某磁性氧化物材料被认为是遵循正常晶粒长大方程。

当颗粒尺寸增大超出1μm

的平均尺寸时，则磁性和强度等性质就变坏，未烧结前的原始颗粒大小为0.1μm。

烧结30分钟使晶粒尺寸长大为原来的3倍。

因大坯件翘曲，生产车间主任打算增加烧结时间。

你想推荐的最长时间是多少?

解：

由D0=0.1μm和t=30min，D=3D0=0.3μm可得：

D2-D02=kt，K=0.08/30μm2/min，

D=1μm，12-（0.1）2=kt=0.08/30t，∴t=371.25min。

固相烧结的主要传质方式有蒸发-凝聚传质和扩散传质，液相烧结的主要传质方式有溶解-沉淀传质和流动传质。

固相烧结与液相烧结的共同点是烧结的推动力都是表面能；烧结过程都是由颗粒重排、物质传递与气孔充填、晶粒生长等阶段组成。

不同点是：

由于流动传质比扩散传质速度快，因而致密化速率高；固相烧结主要与原料粒度和活性、烧结温度、气氛成型压力等因素有关，液相烧结与液相数量、液相性质、液-固润湿情况、固相在液相中的溶解度等有关。

一次渗碳体是从液态结晶时产生的，一般是较大的条块状，其大小和多少随合金的成份和冷却速度而定，在过共晶铁碳合金中常见到。

这是一种金属间化合物，非金属的性质很明显，性能是硬而脆的，也就是常讲的Fe3C。

生产中可通过长时间的高温扩散退火来进行消除。

二次渗碳体在降温时因含碳量变化从奥氏体中而沿晶界析出的，多在过共析钢中出现，一般都是呈网状，由于对性能的影响不利，常可通过正火来打断二次渗碳体网，以改善性能。

此外尚有三次渗碳体，这是在降温时因含碳量变化从铁素体中而沿晶界析出的，在各种钢中都可能出现，只是因为铁素体的碳溶解度变化不大，不易被发现，一般也是呈网状或断续网状。

在多数钢中对性能的影响不大，但在低碳钢中有时会因三次渗碳体的出现使塑性下降很多，影响冲压、冷镦等到加工，这时可在加热到AC1以上然后的快速冷却来消除，也可用等温球化退火来处理使之球化。