材料科学基础习题(共20页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上1. 固溶体合金的相图如图所示,试根据相图确定: (a) 成分为40%B的合金首先凝固出来的固体成分; (b) 若首先凝固出来的固体成分含60%B,合金的成分为多少? (c) 成分为70%B的合金最后凝固的液体成分;(d) 合金成分为50%B,凝固到某温度时液相含有40%B,固体含有80%B,此时液体和固体各占多少分数?2.指出下列相图中的错误,并加以改正。 3. Mg-Ni系的一个共晶反应为 507L(23.5Wt.%Ni) (纯镁)+Mg2Ni(54.6Wt.%Ni)设C1为亚共晶合金,C2为过共晶合金,这两种合金中的先共晶相的重量分数相等,但C1合金中的 总量为
2、C2合金中的 总量的2.5倍,试计算C1和C2的成分。4. 组元A和B在液态完全互溶,但在固态互不溶解,且形成一个与A、B不同晶体结构的中间化合物,由热分析测得下列数据:含B量(wt%.%)液相线温度()固相线温度()01000209007504076575043750509307506310408085064090640100800(a) 画出平衡相图,并注明个区域的相、各点的成分及温度,并写出中间化合物的分子式(原子量A=28,B=24)。(b) 100kg的含20wt.%B的合金在800平衡冷却到室温,最多能分离出多少纯A。5. Mg-Ni系的一个共晶反应为 507L(23.5Wt.%N
3、i) (纯镁)+Mg2Ni(54.6Wt.%Ni)设C1为亚共晶合金,C2为过共晶合金,这两种合金中的先共晶相的重量分数相等,但C1合金中的 总量为C2合金中的 总量的2.5倍,试计算C1和C2的成分。6. 假定我们在SiO2中加入10at%的Na2O,请计算氧与硅之比值。如果O:Si2.5是玻璃化趋势的判据,则形成玻璃化的最大Na2O是多少?7. 一种由SiO2-45%Al2O3(wt%)构成的耐高温材料被用来盛装熔融态的钢(1600)。(a) 在此情况下有多少百分率的耐热材料会熔化?(共晶成分10wt%Al2O3)(b) 选用该耐高温材料是否正确?(实际使用,液相不能超过20%)8. 根据
4、所示的CaO-ZrO2相图,做下列工作: (a)写出所有的三相恒温转变(b)计算4wt%CaO-ZrO2陶瓷在室温时为单斜ZrO2固溶体 (Monoclinic ZrO2 SS)和立方ZrO2固溶体(Cubic ZrO2 SS)的相对量(用mol%表示)。假定单斜ZrO2固溶体和立方ZrO2固溶体在室温的溶解度分别为2mol%CaO和15mol%CaO9. (a)根据Fe-Fe3C相图,分别求2.11%C,4.30%C的二次渗碳体的析出量,(b)画出4.3%的冷却曲线。10. 根据所示的Al-Si共晶相图,试分析下列(a,b,c)三个金相组织属什么成分并说明理由。指出细化此合金铸态组织的可能用
5、途。11. 假设质量浓度为0的固溶体进行正常凝固,若k01,并用g表示固溶体相的分数x/L,试证明固相平均质量浓度可表达为:固相中的溶质总量M=sg,则12. 证明题:1)如下图所示,已知液、固相线均为直线,证明k0=ws/wl=常数;2)当k0=常数时,试证明液、固平面状界面的临界条件G/R=mw0(1-k0)/(k0D)可简化为G/R=DT/D。式中m是液相线斜率,w0是合金原始成分,D是原子在液体中的扩散系数,k0是平衡分配系数,DT=T1-T2。TAT1T2 A w0 w(B)LaW013. 证明:在液相完全不混合得情况下,亚共晶成分W0合金获得伪共晶组织时的平直界面临界条件为:GCR
6、=mR(we-w0)/D14. Al-Cu合金相图如图4-10所示,设分配系数K和液相线斜率均为常数,试求:(a)含1%Cu固溶体进行缓慢的正常凝固,当凝固分数为50%时所凝固出的固体成分;(b)经过一次区域熔化后在x=5处的固体成分,取熔区宽度l=0.5;(c)测得铸件的凝固速率R=310-4cm/s,温度梯度G=30/cm,扩散系数D=310-5cm/s时,合金凝固时能保持平面界面的最大含铜量。15. 利用上题中的数据,设合金成分为Al-0.5wt.%Cu,液体无对流,计算:(b) 开始凝固时的界面温度;(c) 保持液固界面为平面界面的温度梯度;(d) 在同一条件下含铜量增至2wt.%Cu
7、时(a)、(b)题的变化。16. 青铜(Cu-Sn)和黄铜(Cu-Zn)相图如图所示:(a) 叙述Cu-10%Sn合金的不平衡冷却过程并指出室温时的金相组织;(b) 比较Cu-10%Sn合金铸件和Cu-30%Zn合金铸件的铸造性能及铸造组织;说明Cu-10%Sn合金铸件中有许多分散砂眼的原因;(c) 分别含2%Sn、11%Sn和15%Sn的青铜合金,哪一种可进行压力加工,哪种可利用铸造法来制造机件? 17. 根据所示Pb-Sn相图:(1)画出成分为w(Sn)=50%合金的冷却曲线及其相应的平衡凝固组织;(2)计算该合金共晶反应后组织组成体的相对量和组成相的相对量;(3)计算共晶组织中的两相体积
8、相对量,由此判断两相组织为棒状还是为层片状形态。在计算中忽略Sn在a相和Pb在b相中的溶解度效应,假定a相的点阵常数为Pb的点阵常数aPb=0.390nm,晶体结构为面心立方,每个晶胞4个原子;b相的点阵常数为b-Sn的点阵常数aSn=0.583nm,cSn=0.318nm,晶体点阵为体心四方,每个晶胞4个原子。Pb的原子量207,Sn的原子量为119。 1. (a) 在合金成分线与液相线相交点作水平线,此线与固相线交点的合金成分即为首先凝固出来的固体成分:85%B。 (b)作60%B垂直线与固相线相交点的水平线,此线与液相线L相交点的成分即为合金成分:15%B。 (c )原理同上:20%B。
9、 (d)75%,25%2. (a)任何温度下所作的连接线两端必须分别相交于液相线和固相线,不能相交于单一液固相线或单一固相线。(b) A组元的凝固温度恒定,所以液固相线在A成分处相交于一点。 (c) 在两元系的三相平衡反应中,三相的成分是唯一的。 (d) 在两元系只能出现三相平衡反应。3. C1=12.7wt%Ni,C2=37.8wt%Ni4. (a) 中间化合物的分子式为AB2(b) 53.5kg 5. C1=12.7wt%Ni,C2=37.8wt%Ni6. x小于等于1/37. (a)由图可知:L%=,会熔化(b) 因熔化的百分比超过20%,故知选用此材料不正确。8. (a)所示的ZrO2
10、CaO相图中共有三个三相恒温转变: 包晶反应:L+TZrO2CZrO2 共晶反应:LCZrO2+ZrCaO3 共析反应:T-ZrO2MZrO2+C-ZrO2其中L代表液相,T代表四方,C代表立方,M代表单斜。(b)mol%单斜=53.8mol%,mol%立方=46.2mol%9. 答案略。10. (1) (a)共晶组织,因为两相交替生成针状组织 (b)过共晶组织,因为初生相为有小刻面块晶形,应为非金属结晶特征,故此过共晶合金的初生相为Si。 (c)亚共晶组织,因为初生相为树枝晶,应为金属结晶特征,故为亚共晶合金的初生相(Al)固溶体。 (2) 可采用变质剂(纳盐)或增加冷却速率来细化Al-Si
11、合金的铸态组织11证明:k01时的正常凝固方程为:12. 答案略。WsT13. 证明:液相完全不混合,14. (a)0.286%Cu(b)0.83%Cu(c) 0.18%Cu15. (a)650.37() (b) 保持平面界面凝固的临界条件为:(/cm)16. 答案略。17.1) 合金的冷却曲线及凝固组织如下图所示: 室温平衡组织:初和(+)共+2) 合金发生共晶反应后的组织组成体为初和(+)共,各自的含量为初%=100%28%(+)共%=1-初%=72%合金发生共晶反应后的相组成为相和相,各自的含量为%=100%=60.5%=1-%=39.5%3)相的晶胞体积为:v1=a=0.3903 nm
12、3=0.0593 nm3每个晶胞中有4个原子,每个原子占据的体积为:0.0593/4=0.01483 nm3相的晶胞体积为:v2=ac=0.583220.318 nm3=0.10808 nm3每个晶胞4个原子,每个原子占据的体积为:0.10808/4=0.02702 nm3在共晶组织中,两相各自所占的质量分数分别为:共%=100%=45.35%共%=1-共%=54.65%设共晶组织共有100g,则其中=45.35g,=54.65g的体积为:NA0.01483=0.00325NA的体积为:NA0.02702=0.01241NA=0.00325NA/(0.00325+0.01241) NA =20
13、.75%即:相占共晶体总体积的20.75。由于相的含量小于27.6,在不考虑层片的界面能时,该共晶组织应为棒状。1.Mg-Ni系的一个共晶反应为507L(23.5Wt.%Ni) (纯镁)+Mg2Ni(54.6Wt.%Ni)设C1为亚共晶合金,C2为过共晶合金,这两种合金中的先共晶相的重量分数相等,但C1合金中的 总量为C2合金中的 总量的2.5倍,试计算C1和C2的成分。答案:根据已知条件,由杠杆定理得:由题意, ,联立上述二式可解得:C2=54.6-1.323C1 (1)令C1中 总量为 ,则:令C2中 总量为 ,则:由题意 =2.5 即 (2)将(1)式代入(2)式,可解得:C1=12.7
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