《材料科学基础》作业题及答案-西北工业大学

第4章三元合金相图习题及答案12.图4-120为Pb-Sn-Zn三元相图液面投影图。（1）在图上标出合金X(wPb=0.75，wSn=0.15，wZn=0.10)的位置，合金Y(wPb=0.50，wSn=0.30，wZn=0.20)的位置及合金Z(wPb=0.10，wSn=0.10，wZn=0.80)的位置。（2）若将2kgX，4kgY及6kgZ混熔成合金W，指出W成分点位置。（3）若有3kg合金X，问需要配何种成分的合金才能混合成6kg合金Y。解：（1）（2）W合金的成分：wPb=(0.752+0.504+0.106)/(2+4+6)=0.342wSn=(0.152+0.304+0.106)/(2+4+6)=0.175wZn=(0.102+0.204+0.806)/(2+4+6)=0.483(3)需要合金6-3=3kg合金A，其成分为：wPb=（0.506-0.753）/3=0.25wSn=（0.306-0.153）/3=0.45wZn=（0.206-0.103）/3=0.314.试分析图4-96中所示，和区内合金的结晶过程，冷却曲线及组织变化示意图，并在图上标出各相成分变化的路线。解：时间温度合金LL A+BL A+B+CA + B + CL ALL+A初L+A初+(A+B)共晶L+A初+(A+B)共晶+(A+B+C)共晶A初+(A+B)共晶+(A+B+C)共晶 时间温度时间温度合金LL A+BL A+B+CA + B + CL BLL+B初L+B初+(A+B)共晶L+B初+(A+B)共晶+(A+B+C)共晶B初+(A+B)共晶+(A+B+C)共晶 合金LL B+CL A+B+CA + B + CL BLL+B初L+B初+(B+C)共晶L+B初+(B+C)共晶+(A+B+C)共晶B初+(B+C)共晶+(A+B+C)共晶温度时间温度合金LL B+CL A+B+CA + B + CL CLL+C初L+C初+(B+C)共晶L+C初+(B+C)共晶+(A+B+C)共晶C初+(B+C)共晶+(A+B+C)共晶 合金LL A+CL A+B+CA + B + CL CLL+C初L+C初+(A+C)共晶L+C初+(A+C)共晶+(A+B+C)共晶C初+(A+C)共晶+(A+B+C)共晶时间15.试分析图4-102所示中，和区内合金的结晶过程，冷却曲线及组织组成物。 解：时间温度组织：+合金L+L 组织：+合金L+L 合金L组织：L 合金LL +L 组织：+(+)+ +合金LL+L+LL+初L+初+(+)共晶L+初+(+)共晶+(+)共晶初+(+)共晶+(+)共晶+合金LL +L 组织：+(+)+温度时间16.请在图4-113所示中指出合金X(wCu=0.15,wMg=0.05)及合金Y(wCu=wMg=0.20)的成分点、初生相及开始凝固温度；并根据液相单变量线的走向判断所有四相平衡转变的类型。XY解：成分点见图。合金X的初生相为，合金Y的初生相为S。合金X的开始凝固温度稍低于600。合金Y的开始凝固温度稍高于518。在所示的成分范围内,共有4个液相单变量线的交叉点,它们代表4个四相平衡反应。各区域标出的字符表示在此成分范围内的合金凝固时析出的初生相,它们分别是：a-以Al为溶剂溶解Cu和Mg的固溶体；b-Mg2Al3S-CuMgAl2T-Mg23(Al-Cu)4q-CuAl2Q-Cu3Mg6Al7根据液相单变量线在交叉点的走向,可以判断四相反应的类型和反应式。它们是：1点:(三进)2点:(二进一出) 3点:(二进一出) 4点:(三进) f17.wCr=0.18，wC=0.01的不锈钢，其成分点在1150截面图中p点处，合金在1150时各平衡相质量分别应如何计算？解：该合金位于C2+C3+三相区。可利用重心法则，该点位于dcf三角形位置的重心，过dp点连线交cf边于s点。利用杠杆定律，求得相的质量分数：w=(ps/ds)100%同理可求得C2相和C3相的质量百分数。第5章 材料中的扩散 作业及答案2.设有一条直径为3mm的厚壁管道，被厚度为0.001cm的铁膜隔开，通过输入氮气以保持在膜片一边氮气浓度为1000mol/m3；膜片另一边氮气浓度为100mol/m3。若氮在铁中700的扩散系数为410-7cm2/s，试计算通过铁膜片的氮原子总数。解：1000mol/m3=110-3mol/cm3 100 mol/m3=110-4mol/cm3氮在铁膜片中的浓度梯度：C/x=(110-4-110-3)/0.001=-0.9mol/cm4通过铁膜片氮原子的通量：J=-D(C/x)=-410-7(-0.9)=3.610-7mol/cm2s4.用限定元方法向单晶硅中扩散硼，若t=0时硅片表面硼总量为51010mol/m3,在1473K时硼的扩散系数为410-9m2/s，在硅片表层深度为8m处，若要求硼的浓度为31010mol/m3，问需要进行多少小时的扩散？解：由限定元扩散的公式把C=31010mol/m3, M=51010mol/m3, D=410-9m2/s，x=8m=810-6m代入公式31010=51010exp(-(810-6)2/4410-9t)/(3.14410-9t)1/2简化为e1/t/t1/2=0.001281e1/t1t=(1/0.001281)2=609400s169.3h6.第6章 2.铜单晶体拉伸时，若力轴为001方向，临界分切应力为0.64MPa，问需要多大的拉伸应力才能使晶体开始塑性变形？解：力轴为001方向，可以开动的滑移系见图。滑移面111与001方向的夹角的余弦为：cos=(10+10+11)/(12+12+12)1/2(02+02+12)1/2=3-1/2滑移011方向与001方向的夹角的余弦为：cos=(00+10+11)/(02+12+12)1/2(02+02+12)1/2=2-1/2所以取向因子m= coscos=6-1/2需要的拉伸力为：s=k/m=0.64/6-1/2=1.57MPa5.简要分析加工硬化、细晶强化、固溶强化及弥散强化在本质上有何异同？答：相同点：都是通过阻碍位错的运动来实现材料的强化。 不同点：加工硬化是通过位错源源源不断地产生新位错，位错之间发生相互作用，产生大量的位错缠结或位错塞积，阻止位错进一步运动，从而实现强化。细晶强化是利用晶界上原子排列不大规则，杂质和缺陷多，能量较高，阻碍位错运动，实现材料的强化，晶界越多，晶粒越细，材料强度越高。固溶强化是由于溶质原子与位错发生弹性的、电的和化学的交互作用，阻碍位错运动，使材料得到强化。弥散强化则是通过微小的粒子阻碍位错运动，实现强化。第七章 回复与再结晶1.已知锌单晶的回复激活能为8.37104J/mol，将冷变形的锌单晶体在-50进行回复处理，如去处加工硬化效应的25%，需要17d，问若在5min内达到同样的效果，需将温度提高多少摄氏度？解：已知Q=8.37104J/mol，T1=-223K，t1=602417=24480min，t2=5min代入公式：T2=274.7K, 即1.7则需要提高1.7-（-50）=51.710.纯铝在553和627等温退火至完成再结晶分别需要40h和1h，试求此材料的再结晶激活能。解：已知T1=273+553=826K，t1=40h，T2=273+627=900K，t1=1h代入公式所以再结晶激活能为Q=3.08105J/mol第八章 固态相变3.固态相变时，假设新相晶胚为球形，且单个原子的体积自由能变化为若GV=200T/Tc（J/cm2），临界转变温度Tc=1000K，应变能Es=4J/cm3，共格界面能共格=40erg/cm2，非共格界面能非共格=400erg/cm2，计算：（1）T=50时，临界形核功G*共格/G*共格之比。（2）若G*共格=G*非共格时，求T。解：由临界形核功：由于晶胚都为球形，所以共格=非共格共格=40erg/cm2=410-6J/cm2，非共格=400erg/cm2=4010-6J/cm2Es=4J/cm3（1）T=50时，单个原子的体积自由能变化GV=200T/Tc=20050/1000=10（J/cm2）所以G*共格/G*非共格=(410-6）3/（10+4）2 /（4010-6）3/102=1/1960=0.00051（2）G*共格=G*非共格，即：T=-20.65,所以这样的T不存在。5.在固态相变中，假设新相形核率和长大速率G为常数，则经过t时间后所形成的新相的体积分数可用Johnson-Mehl方程得到，即 ，已知形核率=1000/(cm3.s)，G=3105cm/s，试计算：（1）发生相变速率最快的时间； （2）相变过程中的最大相变速率； （3）获得50%转变量所