材料制备技术作业及答案.doc

标注：共三次作业，每次作业10道题，即100分要求：统一A4纸大小、作业手写，字迹须工整，抄写第几次作业及题目（即下面黑色的字抄下）每次作业都是独立一份，共三份，分开写，不要连着写三份作业完成后装订在一起，和实验报告在最后考试时候一起收材料制备技术作业1 班级 姓名 学号 1 材料制备技术的含义和内容是什么？材料制备指通过材料制备过程获得的新材料应在化学成分、元素分布或组织结构上与原材料有明显不同的金属包括 纯金属材料的冶金和提取、合金材料的熔制，以及为满足和提高材料的性能和质量要求而采取的各种工艺技术方法，如变质处理、熔体净化、快速凝固、定向结晶和粉末冶金等。陶瓷材料的主要包括粉末、压制成型和烧结等工艺过程。高分子材料的制备主要为高分子的聚合。2 材料制备技术的学习目的和方法？学习目的：了解各种材料的制备原理和方法，学习如何利用这些原理和方法处理和解决材料工程中的实际问题。学习方法：首先要清楚所要制备的材料有什么用途和特殊要求，其主要的制备方法是什么，如何选择适当的制备方法和工艺。其次，在学习各种材料的制备原理和方法时，要理解人们创造这种方法的起因和目的，它适用于哪些材料或条件，有什么优点和不足，必要通过实验验证该制备技术的原理，了解和掌握制备的工艺和过程，学会相关设备的使用及生产工艺的设计和控制。在学习中不应过于拘泥和教条，关键是要理解这些制备技术和工艺的原理及创新点，充分发挥自己的想象力。3 火法冶金、湿法冶金和电冶金的主要特点是什么？火法冶金不仅效率高且成本较低，但污染环境。湿法冶金的优点是原料中有价金属综合回收程度高，有利于环境保护，并且生产过程较易实现连续化和自动化。电冶金1) 容易得到高温。便于在可控气氛炉和真空炉中使用，所以热效率高。容易控制温度，。2) 电力成本高。电阻加热温度超过1000时，耐火材料有可能导电，需要注意绝缘问题4 简述火法冶金和湿法冶金的基本工艺过程。（1）火法冶金矿石准备。需要选矿以获得含有较多金属元素的精矿。选矿后还需要对矿石进行焙烧、球化或烧结等工序处使适合冶炼。冶炼。将处理分的矿石在高温下用气体或固体还原剂还原出金属单体的过程称为冶炼。金属冶炼所采用的还原剂 包括焦炭、氢和活泼金属等。精炼。冶炼所得到金属较为粗糙，通常含有各种杂质，需要进一步处理以去除杂质元素。这种对冶炼制的粗金属原料进行提高纯度及合金的处理过程称为精炼。（2）湿法冶金。浸取 浸取是选择性溶解的过程。通过选择合适的溶剂使经过处理的矿石中包含的一种或几种有价值的金属有选择性地溶解到溶液中，从而与其他不溶物质分离。根据所用的浸取液的不同，可分为酸浸、碱浸、氨浸、氰化物浸取、有机溶剂浸取等方法。固液分离 固液分离过程包括过滤、洗涤及离心分离等操作。在固液分离的过程，一方面要将浸取的溶液与残渣分离，一方面还要将留存在残渣中的溶剂和金属离子洗涤回收。溶液的富集 富集是对浸取溶液的净化和富集过程。富集的方法有化学沉淀、离子沉淀、溶剂萃取和膜分离等。提取金属或化合物 在金属材料的生产中，常采用电解。化学转换和加压氢还原等方法来提取金属或化合物。5 铸造的实质是什么？如何衡量合金的铸造性能？铸造缺陷有哪些并与铸造性能有何关系？（1）铸造的实质：利用熔融金属的流动性能实现成形。（2）合金的铸造性能主要用：1.充型能力 2.凝固与收缩 3.偏析 4.吸气等衡量。1.充型能力：液态合金充满铸型，获得尺寸正确、轮廓清晰的铸件的能力，称为液态合金的充型能力。充型能力强，则容易获得薄壁而复杂的铸件，不易出现轮廓不清、浇不足、冷隔等缺陷；有利于金属液中气体和非金属夹杂物的上浮、排出，减小气孔、夹渣等缺陷；能够 提高补缩能力， 减小产生缩孔、缩松的倾向性。2.凝固与收缩：凝固-物质由液态变为固态的过程，收缩-铸件在凝固、冷却过程中所发生的体积减小的现象。浇入铸型的液态金属在冷凝过程中，如果凝固和收缩得不到合理的控制，铸件内部就会出现缩孔、缩松、铸造应力、变形、裂纹等缺陷。3.偏析：在铸件中出现化学成分不均匀的现象。偏析使铸件的性能不均匀，严重时会造成废品。 4.吸气：合金在熔炼和浇注时吸收气体的性质。吸气多，在铸件中会形成气孔。气孔破坏了合金的连续性，减少承载的有效面积，并在气孔附近引起应力集中，因而降低了铸件的力学性能，特别是冲击韧度和疲劳（3）强度显著降低。成弥散状的气孔还可促使显微缩松的形成，降低铸件的气密性。合金的铸造性能就是提高铸造性的性能，主要金属液体的流动性，冷却时的收缩率和偏析倾向等收缩率和流动性，共同引起：缩松，大片缩孔流动性引起：冷隔 欠铸偏析引起：机械性能变差及成份不均匀。当然最直观的变现当为冷隔和欠铸，一有发生第一件需要排除的可能因素就是铸造性，铸造性能从化学成分上直观看出，易发现易解决，从简入手6 合金的凝固方式有哪些？化学成分一定时，凝固方式能否改变并加以说明如何实现合金的逐层凝固。（1） 有逐层凝固，糊状凝固，中间凝固（2） 影响合金凝固方式的主要因素是合金的凝固温度范围和铸件凝固期间固、液相界面前沿的温度梯度。化学成分一定时，凝固方式可以通过对上述因素的控制改变。（3） 通常，合金凝固温度范围越小，铸件凝固期间固、液相界面前沿的温度梯度越大，则铸件凝固时越趋于逐层凝固。7 简述砂型铸造的基本工艺过程。（1） 造型和制芯。制造砂型的过程称为造型，制造砂芯的过程称为制芯。造型和制芯方法按照机械化程度可以分为手工造型和机器造型两大类。其中，手工造型是指用手工完成向砂箱填砂和紧实型砂、起模及合箱等基本操作的造型过程。机器造型遇是指用机器全部完成大部分操作的造型工序。手工造型简单，适用于单件或小批量生产，机器造型可以大幅度提高劳动生产率，提高铸件精度和表面质量，适用于大批量生产。（2） 合箱。合箱是把砂型和砂芯按要求组合在一起成为完整铸型的过程，也是砂型铸造生产中的重要环节。（3） 浇注是向铸型中充填液态金属的过程，为了获得合格的铸件，要求根据合金的种类、铸件的结构和铸型的特点控制浇注温度和浇注速度。（4） 落砂和清理。铸件在砂型中冷却到一定温度后清除型砂和芯砂的工艺过程称为落砂。落砂后的铸件需要用锯床或气割等方法去除浇冒口，清除铸件内外表面粘砂、披缝和毛刺等，并通过喷丸处理提高铸件的表面质量。清理好的铸件在经过表面和内存质量检验合格后就可以入库并交付用户。8 什么是特种铸造？与砂型铸造相比有什么特点？有别于砂型铸造的其他铸造方法统称为特种铸造。与砂型铸造相比能提高铸件质量、提高劳动生产率，降低成本和改善劳动条件等方面，表现出其特殊的优越性。9 什么是半固态铸造？制备半固态金属浆料的方法有哪些？将既非全全呈液态，又非全呈固态液态的金属混合浆料用铸造或其他加工方法成型的新方法。制备半固态金属浆料的方法有机械搅拌法、电磁搅拌法、应变激活法、喷射沉积法、切变冷却轧制法、紊流效应法、粉末冶金法、电磁脉冲放电法、化学晶粒细化法、形变热处理法等。10 触变铸造与流变铸造的异同？半固态铸造只是先将金属液制成半固态浆料后进行铸造成型，如果是对浆料直接成型，叫做流变，也可以将浆料制成坯料，用于储存和运输，在做成型时再次加热，达到半固态状态后成型，叫做触变。两种方式都可以采用压铸，也可以采用挤压铸造，称之为半固态压铸和半固态挤压铸造。材料制备技术作业2 班级 姓名 学号 1 为什么要发展和应用快速凝固技术？常规铸造合金会出现晶粒粗大、偏析严重、铸造性能不好等严重缺陷，它们不仅使现有牌号合金的性能和质量很难得到保证，还限制和束缚了新型合金材料的研制，其主要原因是由于它们凝固时的冷速较小，从而导致合金凝固时的过冷度和凝固速度都很小。因此要消除铸造合金存在的这些缺陷，突破研制新型合金的障碍，就要提高熔体凝固时的冷却速度，实现快速凝固。2 简述快速凝固技术材料的组织与性能特点？a. 凝固速度快，从而可以使金属在液态中的溶解度得到扩大，材料各部位的组织更加的紧密，改变金属中各元素的所含比例，从而可以改变该材料的性质，使其达到某种用途的需求。 b. 由于凝固的速度比一般铸造的快，这样得到的凝固结晶会更加的细小，晶粒的分布更加的均匀，一定程度减少了杂质的混入，提高材料的质量，由于晶粒组织的优化，该材料的力学，化学性质会得到提高。 c. 由于快速凝固给材料带来的溶解度的扩大，更加精细的晶粒的析出，从而赋予了材料的高强度，高韧度，以及高耐腐蚀性。d. 除了金属的快速凝固，还有一种快速凝固非晶态合金。可以使材料具有极高的强度，硬度。又因为其实处于非晶态，它在具有高强度的同时也具有较好的韧性。同时，因为非晶态这种特殊形态，可以使材料具有良好的半导体性能。3 什么是粉末冶金，特点和用途有哪些？（1）粉末冶金是一门研究制造各种金属粉末和以粉末为原料通过压制成型、烧结和必要的后续处理制备材料和制品的科学技术。（2）特点：a、独特性。粉末冶金工艺能够生产用其他制备方法所不能生产的材料和制品。如难熔材料至今还只能用粉末冶金方法来生产。还有一些特殊性能的材料，如由互不溶解的金属或金属与非金属组成的假合金（铜-钨、银-钨、铜-石墨）。B、经济性。粉末冶金是一门制造各种机械零件的重要而又经济的成型技术。由于粉末冶金工艺具有获得最终尺寸和形状的零件，不需要或很少需要机械加工这一特性，可以大量节省金属原材料，节省工时，节约能源等，因而具有突出的经济效益。综上所述，粉末冶金既是制备具有特殊性能材料的技术，又是一种能降低成本，大批量制造机械零件的无切削的加工工艺。（3）应用：用于制造板带、棒、管、丝等各种材料，以及齿轮、诺轮、棘轮等各种零件，可以制造重量仅百分之几克的小制品，也可以用热等静压制造近两吨载重的大型 坯料。4 如何制备金属粉末，工业常用制粉方法有哪些？（1）制备金属粉末方法：机械法：用机械将金属或合金原料粉碎成粉末，粉碎过程中合金成分不变化。物理化学法：通过化学的或物理的作用，改变原料的化学成分或聚集状态而获得粉末的工艺过程。（2） 工业常用制粉方法有：机械法：雾化法：以快速运动的流体（雾化介质）冲击或以其他方式将金属或合金液体破碎为细小液滴，继之冷凝为固体粉末的粉末制取方法。物理化学法：还原法：用固体碳还原，可制取铁粉、钨粉 用氢或分解氨还原可制取钨、铁、铜、钢、镍、钴等粉末 用钠、镁、钙等作还原剂，可制取铝、铌、锆、钍、铀等稀有金属粉末电解法：多采用电解熔盐水溶液制取硬脆的氢饱和的致密沉积物。 用硫酸盐槽电解生产铁粉 用氯化物槽电解制取铁粉5 简述金属基复合材料制造的难点和解决途径。（1） 制备金属基复合材料的主要困难a、 金属基复合材料在高温制造时将发生严重的界面反应，氧化反应等有害的化学反应。b、 金属基体与增强物之间浸润性差，甚至不浸润。c、 将增强物按设计要求的含量、分布、方向均匀地分布在金属基体中是难点。（2） 解决途径a、 增强物的表面处理。为了有效地防止界面反应和获得合适的界面结构、性能，以及改善基体金属与增强物之间的润湿性，在增强物的表面涂覆上一层涂层是一种有效的途径。增强物表面涂层 处理的方法很多，有化学气相沉积、物理气相沉积、溶胶、凝胶、电镀、化学镀等方式。b、 加入合适的合金元素，优化基体合金成分。在多数制备金属基复合材料过程中金属基体处于液体金属状态，容易加入各种合金元素，可以有效地改善金属熔体与增强物之间的浸润性和有效地防止界面反应。c、 解决浸润和防止严重界面反应也可以优化制造方法及工艺参数。在确保金属基体与增强物良好复合的前提下，制备温度应尽可能低，复合过程的时间应尽可能短。d、 为了解决难以浸润的困难，一般采用加压浸渗法，在外加压力的作用下使液态金属涌入增强物间隙中。6 简述一种金属基复合材料制备的工艺方法。挤压铸造法：先将短纤维、晶须、颗粒等放入水中搅拌均匀，加入少量黏结剂，制成一定形状的预制件。预制件经过烘干预热后放入模具中，将熔融金属浇注入模具，用压头为70-100MPa，液态金属在压力下浸渗入预制件中，并在压力下凝固。最终制成金属基复合材料零件。工艺流程：预制件预热，放入预制件，注入金属液，加压渗入，保温凝固，取出。7 简述共喷沉积法的基本原理与应用。（1）基本原理：液态金属通过特殊的喷嘴，在惰性气体气流的作用下分散成幼小的液态金属雾化（微粒）流，喷射向衬底。在液态金属喷射雾化过程中将增强颗粒加入到雾化的金属流中，与金属液流混合在一起沉积在衬底上，凝固形成金属基复合材料。（2）应用：制造各种颗粒增强金属基复合材料的有效方法。可以用来制造铝、铜、镍及金属间化合物基复合材料，并直接制成坯、板坯、管子等。8 单晶体的基本性质是什么？（1）均匀性，即同一单晶不同部位的宏观性质相同。（2）各向异性，即在单晶的不同方向上一般有不同的物理性质。（3）自限性，即单晶在可能的情况下，有自发地形成一定规则几何多面体的趋向。（4）对称性，即单晶在某些特定的方向上其外形及物理性质是相同的，这些特性为任何其他状态的物质如液态或固相非晶态不具备或不完全具备的。（5）最小内能和最大稳定性，即物质的非晶态一般能够自发地向晶态转变。9 如何选择单晶体的制备方法？采用什么方法生长晶体是由结晶物质的性质决定的。例如结晶物质只有分解温度而无熔点，就不能采用熔体法，而应选择水溶液或高温溶液法生长其晶体，这样可以大大降低其生长温度，又如水中难溶物的晶体就不能用常温溶液法，而需要采用其他溶剂或高温溶液法生长其晶体。有些晶体可用不同方法生长，这就要根据需要和实验条件加以选择。一般来说，如果能够用熔体法生长晶体，就不用溶液法生长，如果能够用常温溶液或水溶液法，就不用高温溶液法。10 简述应变退火法制备铝单晶的几种工艺。（1）先在550使纯度为99.06%的铝退火，以消除原有应变的影响和提供要求的大小，再使无应变的晶粒较细的铝变形以产生1%-2%的应变，然后将温度从450，长到550，按25/天的速度退火，在一些场合，最后再要在600退火1h。（2）在初始退火之后，较低温度下的所谓回复退火会减少晶粒数目，并帮助晶粒在后期退火时更快地长大。在320退火4h以得到回复，接着加热试样到450，并在该温度下保温2h，这样便长出长约15cm，直径约1mm的丝状单晶。（3）在液氮温度附近冷滚轧，继之在640退火10s，并在水中淬火，制备了用于再结晶的铝，此时样品中含有2mm大小的晶粒和强烈的织构，再通过一个温度梯度退火，然后加热到640，可得到约1m长的晶体。（4）采用交替施加应变和退火的方法，很容易抽取宽2.5cm的高纯单晶铝带，使用的应变不足以使新晶粒成核，而退火温度为640。材料制备技术作业3 班级 姓名 学号 1 真空蒸发镀膜方法常见加热方式有哪些？（1） 电阻加热。蒸发源是以电阻加热并蒸发薄膜材料的方式为电阻加热。（2） 电子束加热。利用电子枪产生电子束，轰击薄膜材料使之受热蒸发。（3） 高频感应加热。盛放材料的导电坩埚的周围绕有高频线圈，当线圈中有高频电流时，坩埚中感应产生电流而升温，从而使材料受热汽化。（4） 电弧加热。被蒸发材料作阴极，耐高温的钼杆作阳极，端部呈尖状，在高真空下通电时，在两电极间有一定电压，使两电极间产生弧光放电，使阴极材料蒸发。（5） 激光加热。用激光束作为热源，使被蒸发材料汽化。（6） 对于化合物与合金材料，有闪蒸蒸发（把薄膜材料做成细小颗粒或粉末状通过一定装置使其以极小的流量逐渐进入高温蒸发源）、多源蒸发（将合金薄膜所需的元素各自置于单独的蒸发源中，同时加热，并独立控制蒸发源的温度）、反应蒸发（把活性气体导入真空室，使活性气体的原子、分子与来自蒸发原子、分子在衬底表面反应，生成所天化合物）。2 简述溶胶凝胶法薄膜制备的原理。将金属醇盐或金属无机盐溶于溶剂中形成均匀的溶液，再加入各种添加剂，催化剂、水、络合剂或整合剂等，在合适的环境温度、温度条件下，通过强烈搅拌，使之发生水解和缩聚反应，制得所需溶胶。薄膜在由溶胶转变为凝胶过程中，由于溶剂的迅速蒸发和聚合物粒子在溶剂中的溶解度不同，导致部分小粒子溶解，大粒子平均尺寸增加。同时，胶体粒子逐渐聚集长大为粒子簇，粒子簇经相互碰撞，最后相互联结成三维网络结构，从而完成由溶胶膜向凝胶膜的转化，即膜的胶凝化过程。3 简述非晶态材料在微观结构上的基本特征。（1） 只存在小区间内的短程有序，在近邻或次近邻原子间的键合具有一定的规律性，而没有任何长程有序。（2） 它的衍射花样是由较宽的晕和弥散的环组成，没有表征结晶态的任何斑点和条纹，用电子显微镜看不到由晶粒曼谷、晶格缺陷等形成的衍衬反差。（3） 当温度连续升高时，在某个很窄的温度区内，会发必明显的结构相恋，是一种亚稳态材料。4 制备非静晶态合金的关键问题是什么？（1） 必须形成原子（或分子）混乱排列的形态。（2） 将这种热力学上的亚稳态在一定的温度范围内保存下来，使之不向晶态转变。5 简述大块非晶合金的制备方法。预先配置好的合金在惰性气体的保护下进行熔化，然后制备非晶粉末，该过程要在高真空或者是惰性气体的保护下进行，再将获得的非晶粉末收集起来过筛，筛掉粒度较大的可能发生晶化的颗粒。过筛之后的颗粒进行真空热挤压，获得一定的致密度，然后将预挤压的试样进行包套、除气、焊合。6 简述纳米材料制备过程中的主要问题和解决方法