矿大材料科学与工程作业评讲1

2019/8/15作业评讲材料科学基础Ⅰ2019/8/15习题一:(P51)1.)210(]021[]112[（421）（123）]346[2019/8/152.计算f.c.c{100}、{110}、{111}面间距2)100(2aadaad42)110(4aad33)111(32019/8/153.计算f.c.c{110}面密度，110线密度22222/124/14aaAaal2212/122019/8/154.在面上绘出晶向）（1010]3112[]3112[zx1x3x2）（10102019/8/155.画六方系中的常见晶向]0001[]0112[]0110[zx1x3x2]0211[]0121[2019/8/156.下述电子排列方式中，哪一个是惰性元素、卤族元素、碱族、碱土族元素及过渡金属?•①ls22s22p63s23p63d74s2过渡•②ls22s22p63s23p6惰性•③1s22s22p5卤族•④ls22s22p63s2碱土•⑤ls22s22p63s23p63d24s2过渡•⑥ls22s22p63s23p64s1碱族2019/8/157．为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高?答：①由质量较大，半径较小的金属原子构成。②金属键无方向性和饱和性，密堆结构能量较低，稳定。2019/8/15作业2：1、计算离子晶体中配位数为3和4的最小离子半径比r+／r-。155.0130301CosrrCosrrrr++r-r-225.012342]110[443]111[4rraaraarr2019/8/152、已知NaF核间距为0.231nm，F-半径为0.133nm，求正负离子的配位数，说明晶体结构特征（空间点阵、结构单元、晶胞中原子数）。r+=r0-r-=0.231-0.133=0.098r+/r-=0.737查上表，n＋=n-＝8，立方体间隙；空间点阵:简单立方结构单元:NaF晶胞中原子数1Na+1FNa+F-2019/8/153、示意画出金刚石型结构的晶胞，说明其中包含有几个原子，并写出各个原子的坐标。414341434343434141414143①②③④③①②④2019/8/15习题二：（P79）1.固溶体与金属化合物在成分、结构和性能上有何差异？•固溶体：成分在一定范围变化，位于相图两端；结构同溶剂组元；强度、硬度约高于纯金属，远低于金属化合物，塑性、韧性较好。•金属化合物：典型成分可用分子式表示，可以化合物为基形成固溶体，位于相图中间；结构不同于任何组元；熔点高、硬而脆。2019/8/152.溶解度分析•Agd0=0.288，f.c.c结构，极限电子浓度1.36，价电子数1元素原子直径价电子数溶解度极限理论值电子浓度Cd0.30420.4350.361.435In0.31430.2100.181.42Sn0.31640.1300.121.39Sb0.32350.0780.091.312100)100(/uxxvae•原子直径差越小，价电子数差越小，溶解度越高。2019/8/155.银和铝都具有面心立方结构，它们的原子半径分别为rAg=0.1441nm，rAl=0.1428nm，问它们在固态下能否无限互溶？为什么？•不能。虽然Ag和Al结构相同，原子半径相差很小，但Ag的价电子数为1，Al为3，理论溶解度只有18%，所以在固态下它们不能无限互溶。2019/8/157.立方ZnS的密度为4.1Mg/m3，试计算两离子的中心距离。ZnS：f.c.c结构，晶胞分子数：4；摩尔质量：m0=97.39设：晶胞体积为V0nmNmVa54.0430030Zn+2S-2nma234.054.043]111[402019/8/15习题3:(P109)2.分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。•正的温度梯度：晶体在生长过程中，若固液界面出现偶然的凸出，前端过冷度较小，生长慢，根部过冷度较大长大快，凸出消除。平面推移。•负的温度梯度：若固液界面出现偶然的凸出，凸出前端过冷度较大，生长更快，有利于枝杆纵深发展。树枝晶长大。2019/8/154.试分析单晶体形成的基本条件•超纯和小的过冷度，以控制形核；籽晶引种有利于单晶形成。2019/8/155.纯Ni平衡结晶,已知TNi=1726K，△T=319℃Lm=18075/6.6=2739J/cm3，r*=1nm。求σ、△G*。25*/1053.22cmJTTLmmTLmTmr2*2223316*TLTGmmpJG18*10059.12019/8/156.简述纯金属晶体长大机制与S/L界面结构的关系•粗糙界面:垂直长大机制对于α2的材料，粗糙界面能量较低，为了维持晶体在生长过程中界面处于稳定状态，液相原子将随机地垂直进入L/S界面，使晶体连续地垂直界面生长。•光滑界面:横向长大机制对于α2的材料，光滑界面能量较低，为了维持晶体在长大过程中平面界面结构不至于破坏，需以二维晶核和螺型位错长大机制。2019/8/15习题4-1：（P188）⑴.平衡结晶过程Ⅰ合金温度转变组成1－L1～2L→αL+α2α→βⅡα+βⅡ室温相：α+β室温组织：α+βⅡABT℃αβⅠⅡL52050809012122.相图分析T℃t→12L→α2019/8/15Ⅱ合金：温度转变组成1－L1～2L→β先L+β2L→(β＋α)共L+β+α2-β＋(β＋α)共室温相：α+β室温组织：β先＋(β＋α)共ABT℃αβⅠⅡL5205080901212T℃t→12L→βL→(β＋α)2019/8/15⑵.计算相对量Ⅰ合金：室温相：α+β室温组织：α+βⅡABT℃αβⅠⅡL5205080901212%6.17%1%%4.825902090%Ⅱ合金：室温相：α+β室温组织：β先＋(β＋α)共%2.88%1%%8.115908090%℃αβⅠⅡL5205080901212％％＝％＝－－％＝先先251%7550905080)(2019/8/15⑶.求合金成分ABT℃αβL52050x9052504005.0%5509050%xxW⑷.快速冷却组织的差异Ⅰ合金：出现离异共晶。Ⅱ合金：共晶体相对量增加，组织更细小。ABT℃αβⅠⅡL52050809012122019/8/153.分析Ti-W合金平衡与非平衡冷却过程Ⅰ合金：平衡结晶温度转变组成1-L1～2L→βL＋β2L+β→αL+β+α2～3L余→αL+α3～4-α4α→βⅡα＋β室温组织：α＋βⅡ非平衡组织：因包晶反应不充分，可能有少量β残留。TiW4093LαβL+αL+βα+βT℃ⅡⅠ1234122019/8/15Ⅱ合金：平衡结晶温度转变组成1-L1～2L→βL＋β2β→αⅡβ+α室温组织：β＋αⅡ非平衡结晶：β晶界处会出现少量的包晶α室温组织：β＋α包＋αⅡTiW4093LαβL+αL+βα+βT℃ⅡⅠ1234122019/8/154.计算并分析Al-Cu合金顺序凝固组织分布•分析：随α凝固L/S界面右移，液体中溶质Cu越来越高，当浓度达33.2％时，随后的液体全部转变成共晶（α+β）。•已知：17.02.3363.5%65.500KCLαβα+β5.6333.252.5548℃660.37℃591℃AlCu→565.65αLL/S2019/8/15•根据：当凝固分数时，CL=33.2%，L余→(α+β)。α相起始浓度为K0C0=0.96%终点浓度为：100)1(KLlzCC%63.5%2.3317.00LSCKCα(α+β)CSC0=5.6533.20.965.63%88lzz2019/8/155.分析Cu-Zn相图902℃包晶L+α→β835℃包晶L+β→γ700℃包晶L+γ→δ598℃包晶L+δ→ε558℃共析δ→γ+ε424℃包晶L+ε→η温度转变组成1-L1～2L→βL+β2～3-β3β→αⅡα+β室温相：α+β室温组织：β+αⅡ2019/8/15Zn%→αβLα+βCu40tT℃L→ββ→αⅡ冷却曲线2019/8/15习题4-2：（P188）6.绘制Au-V相图AuV12001000140020008060402016001800αβγL2019/8/157.Fe-Fe3C相图计算相对量ACDEFG912℃SPQ1148℃727℃LA4.3%2.11%0.0218%6.69%LdFP0.77%Ld’KP+FP+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ+Ld’Ld’+Fe3CⅠBHJN4%2019/8/15室温组织：P+Fe3CⅡ+Ld’%3.8611.23.411.24%LdW%6.10)863.01(77.069.611.269.6%PW%1.3)%6.103.86100(%3CFeW%5.8869.677.069.6%FW%5.11885.01%3CFeWP中:2019/8/15%53.4)118.0478.01(0218.069.60218.077.0%W%8.4711.269.611.23.4%WLd’中:%8.11)478.01(77.069.677.011.2%W共析Fe3C共晶Fe3CFe3CⅡ2019/8/159.汽车挡泥板应选用高碳钢还是低碳钢制造？应选低碳钢。因为挡泥板对强度硬度要求不高，低碳钢塑性韧性好，易于轧制成型。2019/8/1510.求20钢800℃时的相组成、成分及相对量。•相组成：A+F•A成分：F成分：•相对量：％）％＝－（）－（46.080091072791077.0Fewc%AF9107270.02180.778000.2％）％＝－（）－（013.08009107279100218.0%3.55%1%%7.44013.046.02.046.0%FAF习题5：（P189）12.(1)标出X、Y、Z合金位置X：wPb=0.75,wSn=0.15,wZn=0.10Y：wPb=0.50,wSn=0.30,wZn=0.20Z：wPb=0.10,wSn=0.10,wZn=0.80ZnPbSnXYZW合金：wPb=0.34，wSn=0.18，wZn=0.482019/8/15(2)将2KgX、4KgY、6KgZ混合得合金W•W合金成分：48.0118.0121.063.0415.0234.0121.065.0475.02SnPbZnSnPb（3）问用3KgX与什么合金混合可得6KgY?•由直线定理：用3KgM合金混合可得6KgY合金•M合金：wPb=0.25，wSn=0.45，wZn=0.30ZnPbSnXYZWM2019/8/1514.简单三元共晶相图分析①合金：单(L)→双(L+A)→三(L+A+C)→四(L+A+B+C)→三(A+B+C)L→A初L→(A+C)共L→(A+B+C)共室温组织：A+(A+C)共+(A+B+C)共ABCEe1e2e3①②③④⑤(A+B+C)(A+C)A2019/8/15L→A初L→(A+C)共L→(A+B+C)共TELtT℃2019/8/15•②合金室温组织：C+(A+C)共+(A+B+C)共•③合金室温组织：C+(B+C)共+(A+B+C)共•④合金室温组织：B+(B+C)共+(A+B+C)共•⑤合金室温组织：B+(A+B)共+(A+B+C)共ABCEe1e2e3①②③④⑤2019/8/1516.Al-Cu-Mg相图分析•合金X初生相为α，开始凝固温度约为620℃。•合金Y初生相为S，开始凝固温度约为530℃。•四个交点：ET：L→α+θ+SP1:L+Q→S+T