材料科学与工程复习思考题.doc

. . . .第1章 绪论思考题1材料科学与工程的四个基本要素解：制备与加工、组成与结构、性能与应用、材料的设计与应用2材料科学与工程定义解：关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学。3按材料特性，材料分为哪几类？ 金属通常分哪两大类？无机非金属材料分哪四大类？ 高分子材料按使用性质哪几类？解：按材料特性，材料分为：金属材料、无机非金属材料、和有机高分子材料三类。金属材料分为：黑色金属材料和有色金属材料。无机非金属材料分为：混泥土（水泥）、玻璃、砖及耐火材料、陶瓷四大类。高分子材料按使用性能分为：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等类。4金属无机非金属材料高分子材料的基本特性解：金属材料的基本特性：a.金属键；b.常温下固体，熔点较高；c.金属不透明，具有光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热性、导电性好；g.多数金属在空气中易氧化。 无机非金属材料的基本性能：a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而脆；c.熔点高、耐高温，抗氧化；d.导热性和导电性差；e.耐化学腐蚀性好；f.耐磨损；g.成型方式： 粉末制坯、烧结成型。 高分子材料的基本特性：a.共价键，部分范德华键；b.分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度（Tg）和粘流温度（Tf ）；c.力学状态有三态：玻璃态、高弹态和粘流态；d.质量轻，比重小；e.绝缘性好；f.优越的化学稳定性；g.成型方法较多。第2章 物质结构基础 Structure of Matter思考题1. 原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？解：主量子数n、角量子数l、磁量子数ml、自旋量子数ms2 在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？解：泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则3配位数及其影响配位数的因素解：配位数：一个原子周围具有的第一邻近原子（离子）数。影响因素： 共价键数； 原子的有效堆积（离子和金属键合）。4电离能及其影响电离能的因素解：电离能：从孤立原子中，去除束缚最弱的电子所需外加的能量。影响因素：同一周期，核电荷增大，原子半径减小,电离能增大；同一族，原子半径增大，电离能减小；电子构型的影响，惰性气体；非金属；过渡金属；碱金属；5混合键合实例解：石墨：同一层碳原子之间以共价键结合，层与层之间以范德华力结合； 高分子：同一条链原子之间以共价键结合，链与链之间以范德华力结合。作业题2-1 按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br原子的电子排布。解：N:1s22s22p3 O:1s22s22p4 Si:1s22s22p63s23p2 Fe:1s22s22p63s23p63d64s2 Cu:1s22s22p63s23p63d104s1 Br:1s22s22p63s23p63d104s24p52-2 88.83%的镁原子有13个中子，11.17%的镁原子有14个中子，试计算镁原子的相对原子质量。解： 镁原子的质子为12 镁原子的相对原子质量M=88.83%(12+13)+11.17%(12+14)=25.113 在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？性质如何递变？解：在同一周期中，各元素的原子核外电子层数相同，且等于其周期序数。在同一主族中，各元素的最外层电子数相等，且等于其主族序数。 在同一周期中，从左到右，核电荷数依次增多，原子半径逐渐减小，电离能增大，失电子能力减弱，得电子能力增强，因此，金属性减弱，非金属性增强；而同一主族元素中，从上到下电子层数增多，原子半径增大，电离能趋于减小，失电子能力增强，得电子能力减弱，所以，元素的金属性增强，非金属性减弱。4 比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键上的差别。解：金属材料：简单金属（指元素周期表上主族元素）的结合键完全为金属键，过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合，但以金属键为主。陶瓷材料：陶瓷材料是一种或多种金属同一种非金属（通常为氧）相结合的化合物，其主要结合方式为离子键，也有一定成分的共价键。高分子材料：高分子材料中，大分子内的原子之间结合方式为共价键，而大分子与大分子之间的结合方式为分子键和氢键。复合材料：复合材料是由二种或者二种以上的材料组合而成的物质，因而其结合键非常复杂，不能一概而论。5 比较键能大小，简述各种结合键的主要特点，简述结合键类型及键能大小对材料的熔点密度导电性导热性弹性模量和塑性有何影响。解：键能大小：化学键能 物理键能共价键 离子键 金属键 氢键 范德华力共价键中： 叁键键能 双键键能 单键键能 结合键的主要特点：金属键，由金属正离子和自由电子，靠库仑引力结合，电子的共有化，无饱和性，无方向性；离子键以离子为结合单元，无饱和性，无方向性；共价键共用电子对，有饱和性和方向性；范德华力，原子或分子间偶极作用，无方向性，无饱和性；氢键，分子间作用力，氢桥，有方向性和饱和性。结合键类型及键能大小对材料的熔点密度弹性模量和塑性的影响：结合键的键能大小决定材料的熔点高低，其中纯共价键的金刚石有最高的熔点，金属的熔点相对较低，这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因。金属中过渡金属具有较高的熔点，这可能是由于这些金属的内壳层电子没有充满，是结合键中有一定比例的共价键。具有二次键结合的材料如聚合物等，熔点偏低。密度与结合键类型有关，金属密度最高，陶瓷材料次之，高分子材料密度最低。金属的高密度有两个原因：一个是由于金属原子有较高的相对原子质量，另一个原因是因为金属键的结合方式没有方向性，所以金属原子中趋向于密集排列，金属经常得到简单的原子密排结构。离子键和共价键结合时的情况，原子排列不可能非常致密，所以陶瓷材料的密度比较低。高分子中由于是通过二次键结合，分子之间堆垛不紧密，加上组成的原子质量比较小，所以其密度最低。弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力的大小。结合键的键能是影响弹性模量的主要因素，键能越大，则弹性模量越大。陶瓷250600GPa，金属70350GPa，高分子0.73.5GPa。塑性是一种在某种给定载荷下，材料产生永久变形的材料特性。材料的塑性也与结合键类型有关，金属键结合的材料具有良好的塑性，而离子键、共价键的材料的塑性变形困难，所以陶瓷材料的塑性很差，高分子材料具有一定的塑性。思考题1 空间点阵，配位数解：空间点阵：一系列在三维空间按周期性排列的几何点称为一个空间点阵。 配位数：一原子最邻近的、等距离的原子数。2 晶面指数，致密度解：晶面指数：指面在3个晶轴上的截距系数的倒数比，当化为最简单的整数比后，所得到的3个整数。 致密度：晶胞中原子体积的总和与晶胞体积之比。3 液晶及其液晶的分类（从分子排列的有序性类，按液晶的形成条件分类）解：液晶：某些结晶物质受热熔融或被溶剂溶解之后，失去固态物质的刚性，变成具有流动性的液态物质，但结构上保存一维或二维有序排列，物理性质上呈现各向异性，兼有部分晶体和液体性质的过渡中间态物质。 从分子排列的有序性分类：a.丝状相（向列相）；b. 螺旋状相（胆甾相）;c.层状相（近晶相） 按液晶的形成条件分类：a.热致液晶；b.溶致液晶4同素异构转变，并举例说明。解：同素异构转变：改变温度或压力等条件下，固体从一种晶体结构转变成另一种晶体结构。例：铁在不同温度下晶体结构不同， 30%， 难置换，不能形成固溶体 B键性（极化） 两元素间电负性差越小，越易形成固溶体，溶解度越大；溶质与溶剂元素间的电负性差增大，固溶度减小，倾向于生成稳定的金属化合物，而不利于形成固溶体。生成的化合物愈稳定，则固溶体的溶解度愈小。 C 晶体结构类型和晶胞大小 当组元A和B有相同晶体结构， B原子才有可能连续不断地置换A原子，固溶度较大； 晶体结构不同，最多只能形成有限型固溶体 D电价（原子价，电子浓度 ）原子价（离子价）相同，固溶度大；价态差越大，固溶度降低。思考题1晶体缺陷的分类。 肖脱基缺陷 (Schottky Defect) 弗仑克尔缺陷 (Frenkel Defect)： 点缺陷对晶体性质的影响解：肖脱基缺陷：有空位，无间隙原子，原子逃逸到晶体外表面或内界面（晶界）。弗仑克尔缺陷：同时形成等量的空位和间隙原子，空位和间隙原子对其数量远少于肖脱 基（空位）缺陷。点缺陷对晶体性质的影响： 点缺陷存在和空位运动，造成小区域的晶格畸变。 1）使材料电阻增加 定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力，使电子在传导中的散 射增加； 2）加快原子的扩散迁移 空位的迁移伴随原子的反向运动； 3）使材料体积增加，密度下降 4）比热容增大 附加空位生成焓 5）改变材料力学性能 间隙原子和异类原子的存在，增加位错运动阻力,使强度提高，塑性下降。 2柏氏矢量的物理意义。解：表示晶体形成位错的滑移方向和大小。3 简述刃型位错、螺型位错与位错线、柏氏矢量和位错滑移方向之间的关系。解：刃型位错滑移方向与位错线垂直；螺型位错滑移方向与位错线平行。4 位错的运动及其特点。解：位错的滑移：在外力作用下，位错线在滑移面（即位错线和柏氏矢量构成的晶面）上的运动，结果导致晶体永久变形。滑移是位错运动的主要方式。特点：a.刃型位错滑移方向与外力及柏氏矢量平行，正、负位错滑移方向相反；b.螺型位错滑移方向与外力及柏氏矢量垂直，左、右螺型位错滑移方向相反；c.混合位错滑移方向与外力及柏氏矢量成一定角度（即沿位错法线方向滑移）；d.晶体的滑移方向与外力及柏氏矢量相一致，但并不一定与位错的滑移方向相同。位错攀移，在热缺陷或外力下，位错线在垂直其滑移面方向上的运动，结果导致晶体中空位或间隙质点的增殖或减少。a.位错攀移是靠原子或空位的转移来实现的，螺型位错没有多余半原子面，固无攀移运动；b.由于位错攀移需要物质的扩散,因此，不可能是整条位错线同时攀移，只能一段一段地逐段进行；c.单晶生长利用位错攀移来消灭空位。思考题一体积（晶格）扩散的微观机制类型解：体积扩散是金属原子从一个平衡位置转移到另一个平衡位置。包括3种微观扩散机制：空位机制，其中一个原子与相邻空位交换位置。间隙机制，自间隙原子将一个相邻原子调换到间隙位置上。直接交换机制，相邻原子成对的互相交换位置。二为什么钢铁零件渗碳温度一般要选择Fe相区中进行?若不在相区进行会有何结果?解：Fe中的最大碳溶解度(质量分数)只有0.02l8，对于含碳质量分数大于0.0218的钢铁，在渗碳时零件中的碳浓度梯度为零，渗碳无法进行，即使是纯铁，在相区渗碳时铁中浓度梯度很小，在表面也不能获得高含碳层；由于温度低，扩散系数也很小，渗碳过程极慢，没有实际意义。Fe中的碳溶解度高，渗碳时在表层可获得较高的碳浓度梯度，使渗碳顺利进行。三比较下列各因素对扩散系数的影响，并简要说明原因。1温度对扩散系数的影响2金属键晶体的扩散系数与共价键晶体或离子键晶体的扩散系数3体积扩散系数（晶格或点阵）与短路扩散系数（沿位错、晶界、表面）4间隙固溶体的扩散系数 与置换型固溶体的扩散系数 。5铁的自扩散系数 (Fe ) 与 ( Fe )解：1.温度越高，扩散系数越大；间隙机制和空位机制都遵循热激活规律，温度提高，超过能垒几率越大，同时晶体的平衡空位浓度也越高，扩散系数提高。2.原子的迁移要挤开通路上的原子，引起局部点阵畸变，部分破坏原子结合键才能通过。键能越强，原子间的结合键力越强，激活能越大，扩散系数越小。共价键晶体和离子键晶体的扩散系数D晶界D沿位错D晶内4.间隙型固溶体比置换型固溶体容易扩散。因为间隙扩散机制的扩散激活能小于置换型扩散。间隙型固溶体中间隙原子已位于间隙，而置换型固溶体中溶质原子通过空位机制扩散时，需要首先形成空位，因而激活能高。5. (Fe )属于体心结构，( Fe )属于面心结构，面心结构点阵比体心结构点阵紧密，铁在面心立方点阵中的自扩散系数D-Fe与在体心立方点阵的D-(Fe)相比， 在912时，D-(Fe)280D-Fe作业题2-45在钢棒表面上，每20个铁的晶胞中有一个碳原子，在离表面1mm处每30个铁的晶胞中有一个碳原子。1000时扩散系数为310 - 11ms -1，且结构为面心立方(a0.365nm)。问每分钟因扩散通过单位晶胞的碳原子数有多少个？ 解：计算钢棒表面及表面下1mm处的碳浓度 C1 1/20(0.36510-9)3 1.031027 个/m3 C2 1/30(0.36510-9)3 0.681027 个/m3 J = - D c /x -（310 - 11）（0.68-1.03）1027/10-31.051019 /m2s 每一个单位晶胞的面积为(0.36510-9)2 每分钟因扩散通过单位晶胞的碳原子数: Ja = (1.051019 /m2s) (0.36510-9)26084个/min 每分钟因扩散通过单位晶胞的碳原子数有84个。2-47含0.18%碳的碳钢在927今进行气体渗碳，此时D=1.28*10-11m2s-1，若表面含碳量为1%，试求距表面0.60mm处的碳含量达到0.3%所需的时间。解：Cs=1% C0=0.18% Cx=0.3%Cs-CxCs-C0=erf(x2Dt)，即erfx2Dt=1%-0.3%1%-0.18%=0.8537由误差函数表可知，0.6010-321.2810-11t=1.03 得t=1.84h距表面0.60mm处的碳含量达到0.3%所需的时间为1.84h。2-48含0.20%碳的碳钢在927今进行气体渗碳，此时D=1.28*10-11m2s-1，若表面含碳量为1.2%，试求渗碳10h后距表面1.5mm处的碳含量。解：Cs=1.2% C0=0.20%erfx2Dt=erf1.510-321.2810-11103600=erf1.105=0.8835Cs-CxCs-C0=erf(x2Dt)，即1.2%-Cx1.2%-0.2%=0.8835 ，得Cx=0.32%渗碳10h后距表面1.5mm处的碳含量为0.32%。2-49计算550时铜在铝中的扩散系数（D0=1.5*10-5m2s-1,Q=191kJmol-1）。解：D=D0e-QRT=1.510-5e-1911038.314273+550=1.1310-17ms-1550时铜在铝中的扩散系数为1.1310-17ms-1。思考题1 固态相变，结构弛豫，非晶态的晶化和熔体结晶有何异同？解： 固态相变 在温度、压力、成分改变时。固体材料的内部组成结构（相成分、结构和有序度的变化）所发生的转变。 结构驰豫 刚制备的不稳定态非晶材料，常温或加热保温退火，许多性质将随时间发生变化，达到另一种亚稳态。 非晶态的晶化与熔体冷凝结晶的异同点： 都是由亚稳态向晶态的相变，受成核和晶体生长控制。 非晶态晶化: T Tg ，相变驱动力大，成核功小，利于成核和 晶体生长； 粘度大，固相内扩散，扩散慢 ，不利于成核和 晶体生长，更有利于保持非晶状态。 熔体冷凝结晶： TgTTm，液体内的扩散2 在 fg点之间的不同成分的合金，标注其室温组织的构成?解：不同成分合金的室温组成如下图所示：3分别求W(Sn)=61.9% 和W(Sn)=50%时，在183转变时，各相的相对含量?解：W(Sn)=61.9%w=97.5-61.9.97.5-19100%=45.35%，w=1-w=54.65%W(Sn)=50%w=61.9-5061.9-19100%=27.74%，w=1-w=72.26%思考题1固体表面结构的主要特点? 解：固体表面结构的主要特点是存在着不饱和键和范德华力。晶体不同晶面的表面能数值不同，密排面的表面能最低，故晶体力图以密排面作为晶体的外表面；2固体表面对外来原子发生哪两种吸附? 并比较其主要特征? 解：物理吸附、化学吸附主要特征物理吸附化学吸附吸附力分子间力化学键力选择性不明显很显著吸附热近于液化热0-20kJ/mol近于反应热80-400kJ/mol吸附速度速度快易平衡速度慢难平衡吸附层单或多分子只能单分子3分析讨论影响材料表面能的因素 ?解：表面能是增加单位面积的表面，需要做的功.扩张表面时。要克服原有原子、分子或离子之间的相互作用。作用力弱，做功小，表面能低。1） 键性：表面能反映质点间的引力作用，强键力的金属和无机材料表面能较高。 低表面能物质：水0.059，石蜡 0.03， PE 0.035，PTFE 0.023，PA66 0.0472） 温度：温度升高，表面能一般减小。热运动削弱了质点间的吸引力。3） 杂质：含少量表面能较小的组分，可富集于表面，显著降低表面能；含少量表面能较大的组分，倾向于体内富集，对表面能影响小。4三种润湿的数学表达式? 共同点及其规律? 解：沾湿：WA = G = gSg + gLg gSL 润湿：Wi= G = gsg - gsL 铺展：S = G = gsg - gLg - gsL 三种润湿的共同点: 液体将气体从固体表面排开，使原有的固/气(或液/气)界面消失，被固/液界面取代三种润湿的规律：沾湿 粘附功 Wa = A+ gLg Wa = gSg + gLg gSL 浸湿 Wi = A = gSg gSL铺展 S = A gLg gSg越大，gSL越小，粘附张力A越大，越有利于各种润湿；沾湿：gLg大，有利沾湿；浸湿：gLg ， 无影响; 铺展：gLg 小，有利铺展。改变润湿性主要取决于gSg ，gLg ， gSL的相对大小，改变gSg较难，实际上更多的是考虑改变gLg 和 gSL。5润湿的本质是 ? 润湿方程解：润湿的本质是异相接触后体系的表面能下降。润湿方程：gSggSL=gLgcos :自固液界面经液体内部气液界面的夹角。第三章 材料的组成和结构Compositions and Structures of Materials思考题1 高分子材料组成和结构的基本特征 解：平均分子量大和存在分子量分布；高分子链具有多种形态；分子链间以范氏力为主，部分化学键；分子内为共价键；组成与结构的多层次性2比较高分子链的构型和构象解：构型为分子中由化学键所固定的几何排列，这种排列是稳定的，要改变构型必须通过化学键的断裂；构象为CC单键内旋转形成的大分子链在空间的不同形态（空间排列），构象之间的转换是通过单键的内旋转，分子热运动足以使之实现，各种构象之间的转换速率极快，构象是不稳定的。3 比较分子链的近程结构对高分子链柔顺性的影响解：主链结构。极性小的碳链高分子，分子内相互作用不大，内旋转位垒小，柔性较大。主链中含非共轭双键，相邻单键的非键合原子（带*原子）间距增大,使最邻接双键的单键的内旋转较容易，柔顺性好。主链中含共轭双键，因电子云重叠，没有轴对称性， 电子云在最大程度交叠时能量最低，而内旋转会使键的电子云变形和破裂，不能内旋转，刚性链分子。主链含不能内旋转的芳环、芳杂环时，可提高分 子链的刚性。取代基。侧基极性越大，极性基团数目越多，相互作用越强，单键内旋转越困难，分子链柔顺性越差。氢键和交联结构的影响。高分子的分子内或分子间形成氢键，氢键影响比极性更显著，增加分子链的刚性。4内聚能密度对高聚物结构和性能的影响解：5高分子共混物（合金）的制备方法解：化学共混：通过化学方法，把不同性能的聚合物链段连在一起，接枝共聚、嵌段共聚及互穿共聚等； 物理共混：通过物理方法，把不同性能的聚合物混合在一起。机械共混、熔融共混及溶液浇铸共混等。工艺简单，共混时存在相容性问题。6与低分子晶体比较，聚合物晶体的特点。解：特点：链段排入晶胞，分子链轴常与一根结晶主轴平行；半晶结构（结晶不完全）；熔程范围较宽，结晶速度慢；晶体形态多样。7聚合物共混物（聚合物合金）的概念及其与共聚物的差别。解：概念：两种或两种以上的聚合物，通过物理或化学方法共混，形成宏观上均匀、连续的高分子材料。区别：前者各组成聚合物通过分子间作用联系在一起，通过各组成聚合物的结构互补实现其性能互补；后者是各单体单元在一定条件下，通过化学键结合在一起，即在同一高分子链上同时存在两种或多种结构单元，共聚物的性能由这些结构单元共同贡献。8简述高分子材料的织态及微区结构的形成过程。解：9热固性聚合物和热塑性聚合物10聚合物共混物和聚合物共聚物解：共混物，两种或两种以上的聚合物，通过物理或化学方法共混，形成宏观上均匀、连续的高分子材料。共聚物，两种或两种以上单体聚合形成的产物。思考题1 铁碳合金中的一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体的主要区别是什么?解：一次渗碳体：w(C) 4.3%时，从液相中直接结晶出的粗大片状渗碳体。 二次渗碳体 ：w(C) 0.772.11%时，从奥氏体晶界析出的网状次生渗碳体。 三次渗碳体：w(C) 0.0218%时，从基体相铁素体的晶界上 析出的微量片状渗碳体。 共析渗碳体：w(C) 0.77时，铁碳合金在727发生恒温共析转变，形成珠光体，珠 光体是共析铁素体和共析渗碳体的片状混合物。 共晶渗碳体：w(C) 4.3%时，铁碳合金在1148发生恒温共晶转变，形成莱氏体，莱氏体是共晶奥氏体和共晶渗碳体组成。2 根据铁碳相图，计算二次渗碳体和三次渗碳体的最大百分含量。解：当碳含量为2.11时，二次渗碳体的数量达到最大值 W（Fe3C）= (2.11-0.77)/(6.69-0.77) =22.6 % 当碳含量为0.0218时，三次渗碳体的数量达到最大值 W（Fe3C）= (0.0218-0)/(6.69-0) =0.33 % 3根据铁碳相图，说明各点（A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S和Q）的含义。解：点的符号温度/碳含量/%说明ABCDEFGHJK1535148511301600113011309101485148572300.504.306.672.116.6700.100.166.67纯铁的熔点包晶反应时液态合金的浓度共晶点LCAE+Fe3C渗碳体熔点碳在-Fe中的最大溶解度渗碳体-Fe-Fe同素异晶转变点碳在-Fe中的最大溶解度包晶点LB+HAj渗碳体NPSQ1390723723000.020.800.006-Fe-Fe同素异晶转变点碳在-Fe中的最大溶解度共析点ASFP+Fe3C碳在-Fe中的溶解度作业题1 分析铁碳合金的三相平衡转变 (3条水平线)过程；解：包晶转变（HJB），在1485，含C为0.53%的液相与含C为0.09%的相作用,生成含C为0.17%的 (A)相奥氏体。 共晶转变（ECF），含C为4.3%的液相，生成 (A)相奥氏体和渗碳体的混合物(Ld，莱氏体)共析转变（PSK） ，含C为0.77%的奥氏体，转变为含C为0.0218%的铁素体和渗碳体的混合物(P， 珠光体)2 分析 w(C) 0.77、 w(C)1.2、 w(C) 4.3、 w(C)4.5的铁碳合金从液态平衡冷却到室温的转变过程，用组织示意图说明各阶段的组织变化。解：w(C) 0.77 w(C)1.2 共析钢0.77%的结晶过程 过共析钢的结晶过程 w(C) 4.3 w(C)4.53 计算w(C) = 0.77%和w(C) = 0.40%的铁碳合金从液态平衡冷却到室温下的组织组成物和相组织物含量。解：w(C) = 0.77%w(C) = 0.40%4 按含碳量，对铁碳合金进行分类，并表示该铁碳合金在室温下的组织组成物。碳对铁碳合金机械性能有何影响。解：总类分类名称碳含量（%）室温平衡组织铁工业纯铁0.0218铁素体钢亚共析钢0.0218-0.77铁素体和珠光体共析钢0.77珠光体过共析钢0.77-2.11珠光体和二次渗碳体白口（铸）铁亚共晶白口（铸）铁2.11-4.3珠光体、二次渗碳体、莱氏体共晶白口（铸）铁4.3莱氏体过共晶白口（铸）铁4.3-6.67一次渗碳体、莱氏体含碳量对铁碳合金的机械性能影响极大，含碳量增加到一定程度后就会引起质的变化，碳含量越大，硬度越大，韧性越差，延展性也就越差。思考题1铁碳合金中碳的存在形式。灰铸铁 ,白口铸铁，麻口铸铁的碳的存在形式有何不同。解：铁碳合金中，碳的存在形式：与铁间隙固溶；溶入铁的晶格，形成间隙固溶体。化合态的渗碳体；亚稳态，在一定条件下分解为铁和石墨;游离态的石墨G :稳定态，可从铸铁熔液中析出，也可从奥氏体中析出。白口铸铁（碳以渗碳体形式存在，断口为白亮色）灰口铸铁（碳以游离石墨形式存在，断口为暗灰色）麻口铸铁（同时含有石墨和渗碳体，断口灰白相间）2灰铸铁的组织特点，影响灰铸铁性能的因素。解：灰口铸铁 ：基体组织和石墨两部分组成 基体（铁素体、铁素体-珠光体、珠光体） 石墨影响因素：石墨对铸铁机械性能的影响 石墨：松软而脆弱的固态物质，抗拉强度20MPa，延伸率趋近于零； 石墨存在基体中，尤如一种裂纹或孔洞，分割削弱基体，破坏基体组织连续性；还会引起应力在该处集中，构成裂纹源。因而，铸铁的抗拉强度、塑性和韧性都比钢铁低得多。 基体相同的情况下，石墨形状由片状 (普通灰铸铁)变为细片状 (孕育灰铸铁)和球状 (球墨铸铁)时，其对基体的削弱作用以及应力集中的程度将依次减弱，表现出抗拉强度依次升高。基体对铸铁机械性能的影响 基体中铁素体的数量增多，塑性、韧性提高；珠光体数量增加，塑性、韧性降低，但强度、 硬度有所增高。3灰口铸铁组织的形成过程中，石墨化过程的三个阶段。解：第一阶段 高温石墨化 CD由液相凝固形成 一次石墨1154 共晶转变，共晶石墨LCAEG (奥氏体石墨)；第二阶段 中间石墨化1154738，碳溶解度下降，奥氏体成分沿ES变化，过饱和碳析出石墨，二次石墨GII。 第三阶段 低温石墨化 PQ738,共析转变，共析石墨AS FG(铁素体石墨)；三次石墨G4Fe Fe3C和 Fe G 相图二者的主要区别。解：在极为缓慢的冷却条件下，铁碳合金由FeG 相图进行结晶，FeG 相图在Fe Fe3C相图的上方，FeG更稳定。Fe Fe3C相图中凡是有渗碳体存在的相区，在FeG 相图中均由石墨取代；凡是析出渗碳体的点线在FeG 相图中均析出石墨，只是位置稍有变化，其特征点温度和含碳量略有不同。5灰口铸铁的组织按其基体的不同，可分为哪三种。灰口铸铁的组织可看成是；解：铁素体灰口铸铁、铁素体-珠光体灰口铸铁、珠光体灰口铸铁。 灰口铸铁的组织可看成是钢加上片状石墨。6. 灰口铸铁和球墨铸铁在组织和性能上有何区别。解：灰口铸铁的组织特点是在基体上分布着片状石墨。球墨铸铁的组织特点是基体加球状石墨性能：球化越完整，球状石墨尺寸越细小，可减少应力集中，力学性能越优越；疲劳强度与中碳钢相似，耐磨性好，制造重要和形状复杂机械零件，如曲轴、连杆、涡轮、齿轮、水压机缸套等。思考题1 硅酸盐结构的基本特点和类型。解：硅酸盐晶体的结构特点： (1) 结构中Si4+间没有直接的键，而是通过O2连结； (2) 以硅氧四面体为结构的基础； (3) 每一个O2只能连接2个硅氧四面体； (4) 硅氧四面体间只能共顶连接，不能共面连接。 硅酸盐晶体的主要结构类型：岛状结构；组群状（环状）结构；链状结构；层状结构；架状结构。2 玻璃的定义及其通性，玻璃中的氧化物分为哪三类。解：定义：将原料加热熔融（熔体），快冷却（过冷却）形成，室温下保持熔体结构的固体物质，固体非晶态(无定形)物质。通性：各向同性；热力学介稳性；状态转化的渐变性。玻璃中的氧化物分为：网络生成体氧化物；网络外体氧化物；中间体氧化物。作业题3高岭石Al4Si4O10(OH)8(Al2O32SiO22H2O)的结构。解：三斜晶系，单网层结构：硅氧四面体层 + 八面体层下层为硅氧四面体层，硅氧四面体中的活性氧向上；上层为八面体层（由 1个Al3+ ，2个O2 , 4个OH组成）， 每一个活性氧同时连接1个硅氧四面体和2个AlO2(OH)4八面体，层与层间为氢键结合，结合力较弱，层间易解理成片状，但OH-O之间仍有一定的吸引力，所以单网层之间水分子不易进去，不因水含量增加而膨胀。4从显微结构看，陶瓷材料主要有哪些相构成？各构成相的主要作用和对陶瓷性能的影响是什么？为什么外界温度的急剧变化可以使许多陶瓷器件开裂或破碎?解：晶相、,玻璃相、气相和晶界 晶粒是陶瓷最主要的组成相，晶相的性质是影响陶瓷性能的主要因素；烧成冷却过程中，晶界处产生热应力，出现微裂纹，降低陶瓷强度。 玻璃相的作用，粘结分散的晶粒，抑止晶粒长大； 填充晶粒间的空隙，填充气孔，提高致密度，降低烧结温度。 气相会降低陶瓷强度，造成裂纹。保留一定的气相，陶瓷的比重小，绝热性好。因为大多数陶瓷主要由晶相和玻璃