材料科学基础

习题第一章相平衡1.图1-1示意表示出生成一个不一致熔融化合物AmBn和形成固溶体SB(A)的二元系统，试完成此相图的草图。2.对于图1-2所示的相图，试进行：（1）标出初晶区；（2）画出温度下降方向；（3）确定相界线性质；（4）确定无变量点性质；（5）分析1，2，3点的结晶过程。（3）DP，PQ，EQ，GQ为低共熔线，FP为转熔线。（4）E为低共熔点L=B+C+S；P为转熔点L+A=C+S。（5）1点组成物冷却先析出A，液相点沿A1延长线运动至与DP相交，开始析出C，液相点沿DP向P运动，同时固相点沿AC向C运动；当液相点到达P时，固相点到达P1延长线与AC的交点，P点发生转熔过程，固相点沿P1延长线向1点运动；液相消失时，固相点到达1点，结晶结束，得到A，S，C三种晶体。2点组成物冷却先析出A，液相点沿A2线向FP运动，到达A2线与FP的交点后发生A回吸，S析出，液相点沿FP向P运动，固相点从A向S变化；固相点到达S时，A被回吸完，液相点到达S2延长线与FP的交点，随后液相点穿晶区向GQ变化，到达S2延长线与GQ的交点后，液相点沿GQ向Q变化，固相点从S向F变化；液相点到达Q后，发生低共熔过程，固相点沿Q2延长线向2运动；当固相点到达2时，液相消失，结晶结束，得到B，S，C三种晶体。3点组成物冷却先析出S，液相点沿S3向GQ运动，到达S3延长线与GQ的交点后开始析出B，液相点沿GQ向Q运动，同时固相点从S向G运动；液相点到达Q点时，固相点到达Q3延长线与AG的交点，Q点发生低共熔过程，固相点向3运动；当固相点到达3点时，液相消失，结晶结束，得到B，S，C三种晶体。低共熔点熔点熔点液相ABAmBnPijklfd○B○S○ACP○A○S○BdfcbASB123Eaeghc○CPijklfd○B○S○ACP○A○S○BdfcbASB123Eaeghc○C3.对于图1-3所示的相图，试进行：（1）标出初晶区；（2）画出温度下降方向；（3）确定相界线性质；（4）确定无变量点性质；（5）分析1，2，3点的结晶过程。（3）所有相界线均为低共熔线。（4）所有无变量点均为低共熔点。（5）1点组成物冷却先析出AC，液相点沿(AC)1的延长线向OS运动，到达与OS的交点后，BC开始析出，液相点向O点运动，同时固相点从(AC)向C运动；液相点到达O点时，固相点到达O1延长线与AC的交点，O点发生低共熔过程，固相点验O1延长线向1点运动，到达1点时，液相刚好消失，结晶结束，得到AC，BC，AB三种晶体。2点组成物先析出BC，液相点沿(BC)2的延长线向OS运动，到达与OS的交点后，AC开始析出，液相点向O点运动，同时固相点从(BC)向C运动；液相点到达O点时，固相点到达O2延长线与BC的交点，O点发生低共熔过程，固相点验O2延长线向2点运动，到达2点时，液相刚好消失，结晶结束，得到AC，BC，AB三种晶体。3点组成物先析出AB，液相点沿(AB)3的延长线向OQ运动，到达与OQ的交点后，BC开始析出，液相点向Q点运动，同时固相点从(AB)向G运动；液相点到达Q点时，固相点到达Q3延长线与(AB)G的交点，Q点发生低共熔过程，固相点沿Q3延长线向3点运动，到达3点时，液相刚好消失，结晶结束，得到AC，BC，B三种晶体。4.某种陶瓷制品以长石K2OAl2O36SiO2和高岭土Al2O32SiO22H2O配料，在12000C烧成。观察烧成制品的显微结构，发现由莫来石晶体和玻璃相组成，问：（1）配料中，长石和高岭土各为多少？（2）制品结构中，莫来石和玻璃相各为多少？5.氧化物AO和SiO2以一定配比混合成均匀的粉状配合物，加热至熔融状态，并按不同方式冷却，所得的试样经过观察得到以下结果冷却方式观察结果（1）迅速冷却（2）熔融态保留1小时，在液相线以下800C保温2小时，然后淬冷（3）熔融态保留3小时，在液相线以下800C保温2小时，然后淬冷单相，无析晶迹象表面有析晶，初晶相是SiO2，还有玻璃相表面有析晶，初晶相是AOSiO2，同时有玻璃相fABCACBCAB○C○B○A○AB○AC○BCe1e2e3e4e5e6E2E3E1Eeabcd312（4）熔融态保留2小时，迅速冷却到液相线以下2000C保温1小时，在迅速冷却至室温没有析晶，但所得玻璃体呈雾状请解释观察到的现象。SiO2存在复杂的多晶转变。（1）快速冷却得到的是石英玻璃，（2）不平衡析晶析出SiO2（3）平衡析晶析出AOSiO2，（4）产生分相。6.右图为含有一个三元化合物D（AmBnCq）的三元系统相图，试判断：（1）图中各界线的温度走向和性质；（2）该三元化合物是一致熔融还是不一致熔融化合物？（3）确定各无变量点的性质；（4）分析图中1、2、3点的析晶过程。(1)PH为转熔线，其余界线为低共熔线。(2)该三元化合物是不一致熔融化合物。（3）P为低共熔点L=A+C+D；S为低共熔点L=C+B+D；H为转熔点L+A=B+C。（4）1点组成物先析出A，液相点沿A1延长线向FH运动，到达A1延长线与FH的交点后，B开始析出；液相点沿FH向H运动，同时固相点从A向F运动，液相点到达H点时，固相点到达H1延长线与AF的交点；H点发生转熔过程，同时固相点沿H1延长线向1点运动，到达1点时，液相消失，结晶结束，得到A，B，D三种晶体。2点组成物先析出A，液相点沿A2延长线向GP运动，到达A2延长线与GP的交点后，C开始析出；液相点沿GP向P运动，同时固相点从A向G运动，液相点到达P点时，固相点到达P2延长线与AG的交点；P点发生低共熔过程，同时固相点沿P2延长线向2点运动，到达2点时，液相消失，结晶结束，得到A，C，D三种晶体。3点组成物先析出D，液相点沿D3延长线向SP运动，到达D3延长线与SP的交点后，C开始析出；液相点沿SP向S运动，同时固相点从D向C运动，液相点到达S点时，固相点到达S3延长线与DC的交点；S点发生低共熔过程，同时固相点沿S3延长线向3点运动，到达3点时，液相消失，结晶结束，得到B，C，D三种晶体。7.为什么在硅砖生产中Al2O3是很有害的杂质，而加入少量CaO能促进鳞石英的形成而又不明显降低其耐火度。根据Al2O3-SiO2系统相图，在SiO2-Al2S3分二元系统中，纯SiO2熔点为1723度，低共熔点靠近SiO2一侧，液相线很陡，故加入Al2O3到SiO2后，熔点将急剧下降，使硅砖耐火度大大降低，所以在硅砖生产中Al2O3是很有害的杂质。1ABCSe1e2e3E1E2Pb23aefdc第二章固相反应1.镍（Ni）在0.1大气压的氧气中氧化，测得其重量增量（g）如下表：温度0C时间1hr2hr3hr4hr55091315106001723293665029415065700567588106（1）推导出合适的反应方程；（2）计算活化能2.试比较杨得方程、卡特方程和金斯特林格方程的优缺点及适用条件。材料生产中通常采用粉状物料作原料，在反应过程中，颗粒间接触界面积不断变化。用简单方法来测量大量粉状颗粒上反应层厚度很困难，故杨德在抛物线方程基础上采用了“球体模型”，推导出了改进的动力学方程。杨德方程不能适用于反应程度大的情况。卡特方程的特点是考虑了反应面积的变化及产物与反应物间体积密度的变化，因此比杨德方程具有更好的适用性。金斯特林格方程中，放弃了杨德假设中截面积不变的假设，反应物与产物的密度也不同，反应前后体积变化，须引入由此带来的体积变化因素。金斯特林格方程具有很好的适用性。3.为观察尖晶石的形成，用过量的MgO粉包围1的Al2O3球形颗粒。在固定温度实验中的第一个小时有20%的Al2O3反应成尖晶石。试根据（1）无球形几何校正；（2）用杨得方程作球形校正，计算完全反应的时间。(1)由x2=Kpt,则x=0.2时，t=1h；故x=1时，t=25h.(2)x2=Kpt,其中x=R0[1-(1-G)1/3],则G=0.2时，2t=1h；故G=1时，t=194.6h.4.要合成镁铝尖晶石，可供选择原料为MgCO3、Mg(OH)2、MgO、Al2O33H2O、-Al2O3、-Al2O3。从提高反应速率角度出发，应选择什么原料？选用MgCO3和Al2O33H2O同一物质处于不同结构状态时，其反应活性差别很大。晶格能越高，结构越完整和稳定，其质点可动性小，反应活性越低。对于难熔氧化物间的反应和烧结往往是困难的，通常采用具有高活性的活性固体作原料，利用热分解反应和脱水反应，形成具有较大比表面积和晶格缺陷的初生态或无定形物质等措施来提高反应活性，是促进固相反应进行的一个有效手段。5.设固相反应CaO+SiO2=2CaOSiO2符合杨得方程，并测得不同温度下的反应速度常数（K）如下，试求该反应的活化能。反应温度0CK值8006.1x10-412004.1x10-214003.1x10-1由K=Aexp(-Q/RT),作lnK-1/RT图线T(℃)1/(RT)KlnK8000.000112086.1x10-4-7.4020512008.16475E-054.1x10-2-3.1941814007.18878E-053.1x10-1-1.17118由直线的斜率得反应的活化能为Q=151026.99J第三章烧结过程1.烧结的推动力是什么？晶体生长的推动力是什么？试比较两者的大小。伴随表面积减少的烧结过程是一个自发的不可逆的过程，而推动系统表面积减少的自由颗粒表面的表面张力则是本征的或基本的烧结推动力；晶体生长的推动力是晶界过剩的表面能。烧结推动力要大于晶体生长推动力：界面或表面向曲率中心移动的过程中，在晶体生长过程中界面会受到来自前方的阻力，而烧结过程界面所受来自前方的阻力则很小。2.烧结过程中，晶粒生长能使陶瓷致密吗？为什么？晶粒生长能影响烧结速率吗？为什么？3.在15000CMgO正常晶粒长大期间，观察到晶体在1小时内从1m直径长大到10m。已知晶界扩散能为60Kcal/mol，试预测在16000C下4小时后晶粒的大小。你估计杂质对MgO晶粒生长速率会有什么影响，为什么？k=Aexp(-Q/RT)D2-D02=ktT1=1773.15K,T2=1873.15K;t1=1h,t2=4h，D0=1μm;D1=10μm由D0=1μm;D1=10μm;t1=1h得k1=99进一步得k2=245.73D22=D02+k2t2=983.9D2=31m引入杂质会阻碍晶界移动，使晶粒正常长大停止，影响晶粒长大速率，也会是晶粒长大过程的结束。4.试解释下列名词：（1）熔融温度，烧结温度；（2）烧结与烧成；（3）液相烧结与固相烧结；（4）晶粒生长与二次再结晶。（1）熔融与烧结：都是由原子热振动使原子间联系减弱引起的；熔融要在熔点以上，烧结温度要低于熔点：金属的泰曼温度为0.3~0.5Tm，硅酸盐的为0.8~0.9Tm，盐类的为0.57Tm。（2）烧结与烧成：烧成包括多种物理和化学变化，而烧结只晶粒一系列较为简单的物理变化；烧成包括烧结。（3）液相烧结与固相烧结：均在熔点以下进行，且自始至终至少有一相处于固态；固相反应至少有两个组元且发生化学反应，而烧结可只有一个组元，不发生化学反应。（4）晶粒生长与二次再结晶：晶粒长大：通过晶界移动（晶界由弯曲变平直，而非晶粒互相粘结）胚体中的一部分晶粒长大（对应一部分晶粒缩小或消失），其推动力是晶界过剩表面能；二次再结晶：导致晶粒长大的晶界移动可能被夹杂物或气孔阻碍而静止，但一些边数特别多、晶界能特别大的晶粒可越过这些阻碍进一步反常长大并吞并周围其他晶粒；其推动力是大晶粒的表面能。5.有两个相同试样分别加热到6000C和7000C，第一个试样加热到6000C经过30小时后其晶粒从0.05mm增加一倍变化到0.10mm，第二个试样加热到7000C发生同样变化用了30分钟，试问加热到7500C时晶粒尺寸发生这样的变化需要多少时间？U=U0exp(-E/RT)又D=UΔtD相同时，T1=873.15K,T2=973.15K;Δt1=30h,Δt2=