第3章 材料的凝固与结晶(r)
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第三章金属的结晶金属由液态转变为固态的过程称为凝固,由于固态金属是晶体,故又把凝固称为结晶。
§3.1 结晶的过程和条件一、液态金属的结构特点金属键:导电性,正电阻温度系数近程有序:近程规则排列的原子集团结构起伏:近程规则排列的原子集团是不稳定的,处于时聚时散,时起时伏,此起彼伏,不断变化和运动之中,称为结构起伏。
结晶的结构条件:当近程规则排列的原子集团达到一定的尺寸时,可能成为结晶核心称为晶核, 即由液态金属的结构起伏提供了结晶核心。
结构起伏是金属结晶的结构条件。
二、结晶过程形核:液相中出现结晶核心即晶核;晶核长大:晶核形成后不断长大,同时新晶核不断形成并长大;不断形核、不断长大;晶体形成:各晶核相互碰撞,形成取向各异、大小不等的等轴晶粒组成的多晶体形核与长大是晶体形成的一般规律。
单晶体与多晶体三、结晶的过冷现象用热分析法获得液态金属在缓慢冷却时温度随时间的变化关系,即冷却曲线。
由冷却曲线可知,结晶时有过冷现象:实际结晶温度Tn低于理论结晶温度Tm的现象称为过冷。
液态金属过冷是结晶的必要条件。
过冷度:△T=Tm-Tn, 其大小除与金属的性质和纯度有关外,主要决定于冷却速度,一般冷却速度愈大,实际结晶温度愈低,过冷度愈大。
四、结晶的热力学条件热力学:研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科,主要研究平衡状态的物理、化学过程。
热力学第二定律:在等温等压下,自发过程自动进行的方向是体系自由焓降低的方向,这个过程一直进行到自由焓具有最低值为止,称为最小自由焓原理。
利用最小自由焓原理分析结晶过程。
两相自由焓差是相变的驱动力。
金属结晶的热力学条件:固相自由焓必须低于液相自由焓。
热力学条件与过冷条件的一致性。
§3.2 形核的规律形核方式:均匀形核(自发形核)与非均匀形核(非自发形核)。
一、均匀形核均匀形核:当液态金属很纯净时,在相当大的过冷度下,固态晶核依靠液相内部的结构起伏直接从液相中自发形成。
材料科学导论课后习题答案第一章材料科学概论1.氧化铝既牢固又坚硬且耐磨,但为什么不能用来制造榔头?答:氧化铝脆性较高,且抗震性不佳。
2.将下列材料按金属、陶瓷、聚合物和复合材料进行分类:黄铜、环氧树脂、混泥土、镁合金、玻璃钢、沥青、碳化硅、铅锡焊料、橡胶、纸杯答:金属:黄铜、镁合金、铅锡焊料;陶瓷:碳化硅;聚合物:环氧树脂、沥青、橡胶、纸杯;复合材料:混泥土、玻璃钢3.下列用品选材时,哪些性能特别重要?答:汽车曲柄:强度,耐冲击韧度,耐磨性,抗疲劳强度;电灯泡灯丝:熔点高,耐高温,电阻大;剪刀:硬度和高耐磨性,足够的强度和冲击韧性;汽车挡风玻璃:透光性,硬度;电视机荧光屏:光学特性,足够的发光亮度。
第二章材料结构的基础知识1.下列电子排列方式中,哪一个是惰性元素、卤族元素、碱族、碱土族元素及过渡金属? (1)1s22s22p6 3s2 3p6 3d7 4s2(2)1s22s22p63s2 3p6(3)1s22s22p5(4)1s22s2 2p63s2(5)1s2 2s2 2p63s2 3p63d2 4s2(6)1s22s22p63s23p6 4s1答:惰性元素:(2);卤族元素:(3);碱族:(6);碱土族:(4);过渡金属:(1),(5)2.稀土族元素电子排列的特点是什么?为什么它们处于周期表的同一空格内?答:稀土族元素的电子在填满6s态后,先依次填入远离外壳层的4f、5d层,在此过程中,由于电子层最外层和次外层的电子分布没有变化,这些元素具有几乎相同的化学性质,故处于周期表的同一空格内.3.描述氢键的本质,什么情况下容易形成氢键?答:氢键本质上与范德华键一样,是靠分子间的偶极吸引力结合在一起.它是氢原子同时与两个电负性很强、原子半径较小的原子(或原子团)之间的结合所形成的物理键。
当氢原子与一个电负性很强的原子(或原子团)X结合成分子时,氢原子的一个电子转移至该原子壳层上;分子的氢变成一个裸露的质子,对另外一个电负性较大的原子Y表现出较强的吸引力,与Y之间形成氢键。
一.名词解释弹性模量、弹性极限、屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、冲击韧性、布氏硬度、洛氏硬度、韧脆转变、韧催转变温度、疲劳、断裂韧性二、填空题1.材料常用的塑性指标有________和________两种,其中_________表示塑性更接近硬度。
2.检验淬火钢成品件的硬度一般用________硬度,而布氏硬度适用于测定_______的硬度。
3.零件表面加工质量对其________性能有很大的影响。
4.材料性能是指________性_________性_________性和___________性。
5.表征材料抵抗冲击载荷能力的性能指标是_________,其单位是___________。
三、选择题1.在设计拖拉机缸盖螺钉时应选用的强度指标是()A.σb B、σs C、σ0.2 D、σp2.有一碳钢支架刚性不足,解决办法是()A、通过热处理强化B、选用合金钢C、增加横截面积D、在冷加工状态下使用3.材料的使用温度()A、应在其韧脆转变温度以上B、应在其韧脆转变温度以下C、应与其韧脆转变温度相等D、与其韧脆转变温度无关4.汽车后半轴热处理后冷校直,造成力学性能指标下降,主要是()A、σbB、δC、σ-1D、HB5.在有关工件的图纸上,出现了以下几种硬度技术条件的标注方法,其中正确的是()A、500HBSB、HV800C、12~15HRCD、229HB四、判断题1、所有金属材料都有明显的屈服现象。
()2、同种材料不同尺寸试样所测得的伸长率相同。
()3、σ0.2是机械零件的设计依据,如果使用σb代替,则应选择较大的安全系数。
()五、计算题1.一根直径为2.5mm、长为3m的钢丝,受4900N拉伸载荷作用后的变形量是多少?(钢丝的变形为弹性变形,其弹性模量为205000MN/m2)[提示:参考第一部分第一章的例题1]六、简答题1.如何提高金属材料的刚度和疲劳寿命?2.韧脆转变在工程上有何意义?一、名词解释金属键、晶体、非晶体、晶格晶胞、致密度、配位数、空位、间隙原子、位错、晶粒、晶界、合金、相、固溶体、置换固溶体、金属化合物、高分子化合物、间隙相、玻璃相、大分子链、单体、链节、大分子链的柔顺性、扩散二、填空题1.工程材料的结合键有______、________、_______、________4种。
第三章纯金属的凝固(一) 填空题1.金属结晶两个密切联系的基本过程是和2 在金属学中,通常把金属从液态向固态的转变称为,通常把金属从一种结构的固态向另一种结构的固态的转变称为。
3.当对金属液体进行变质处理时,变质剂的作用是4.铸锭和铸件的区别是。
5.液态金属结晶时,获得细晶粒组织的主要方法是6.金属冷却时的结晶过程是一个热过程。
7.液态金属的结构特点为。
8.如果其他条件相同,则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的,高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的,采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的,薄铸件的晶粒比厚铸件。
9.过冷度是。
一般金属结晶时,过冷度越大,则晶粒越。
(二) 判断题1 凡是由液态金属冷却结晶的过程都可分为两个阶段。
即先形核,形核停止以后,便发生长大,使晶粒充满整个容积。
2.凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。
3.近代研究表明:液态金属的结构与固态金属比较接近,而与气态相差较远。
( )4.金属由液态转变成固态的过程,是由近程有序排列向远程有序排列转变的过程。
( )5.当纯金属结晶时,形核率随过冷度的增加而不断增加。
( ) 6.在结晶过程中,当晶核成长时,晶核的长大速度随过冷度的增大而增大,但当过冷度很大时,晶核的长大速度则很快减小。
( )7.金属结晶时,冷却速度愈大,则其结晶后的晶粒愈细。
( )8.所有相变的基本过程都是形核和核长大的过程。
( )9.在其它条件相同时,金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的铸件晶粒更细( )10.在其它条件相同时,高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的铸件晶粒更细。
( )11.在其它条件相同时,铸成薄件的晶粒比铸成厚件的晶粒更细。
( )12. 金属的理论结晶温度总是高于实际结晶温度。
( )13.在实际生产条件下,金属凝固时的过冷度都很小(<20℃),其主要原因是由于非均匀形核的结果。
( )14.过冷是结晶的必要条件,无论过冷度大小,均能保证结晶过程得以进行。
( )15.在实际生产中,评定晶粒度方法是在放大100倍条件下,与标准晶粒度级别图作比较,级数越高,晶粒越细。
第1章材料的性能一、选择题3.在测量薄片工件的硬度时,常用的硬度测试方法的表示符号是( B)A.HB B.HRC C.HV D.HS4.金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力叫(A ) A.强度 B.硬度 C.塑性 D.弹性二、填空1.金属材料的强度是指在载荷作用下其抵抗(塑性变形)或(破坏)的能力。
2.金属塑性的指标主要有(断后伸长率)和(断面收缩率)两种。
3.低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、(塑性变形)和(断裂)三个阶段。
4.常用测定硬度的方法有(布氏硬度测试法)、(洛氏硬度测试法)和维氏硬度测试法。
5.疲劳强度是表示材料经(无数次交变应力循环)作用而(不发生断裂时)的最大应力值。
三、是非题1.用布氏硬度测量硬度时,压头为钢球,用符号HBS表示。
是四、改正题1. 疲劳强度是表示在冲击载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。
将冲击载荷改成交变载荷2. 渗碳件经淬火处理后用HB硬度计测量表层硬度。
将HB改成HR3. 受冲击载荷作用的工件,考虑机械性能的指标主要是疲劳强度。
将疲劳强度改成冲击韧性5. 冲击韧性是指金属材料在载荷作用下抵抗破坏的能力。
将载荷改成冲击载荷五、简答题1.说明下列机械性能指标符合所表示的意思:σs、σ0.2、HRC、σ-1、σb、δ5、HBS。
σs: 屈服强度σ0.2:条件屈服强度HRC:洛氏硬度(压头为金刚石圆锥)σ-1: 疲劳极限σb: 抗拉强度σ5:l0=5d0时的伸长率(l0=5.65s01/2)HBS:布氏硬度(压头为钢球)第2章材料的结构一、选择题1. 每个体心立方晶胞中包含有(B)个原子 A.1 B.2 C.3 D.42. 每个面心立方晶胞中包含有(D)个原子 A.1 B.2 C.3 D.43. 属于面心立方晶格的金属有(C) A.α-Fe,铜B.α-Fe,钒 C.γ-Fe,铜 D.γ-Fe,钒4. 属于体心立方晶格的金属有(B) A.α-Fe,铝B.α-Fe,铬 C.γ-Fe,铝 D.γ-Fe,铬6. 在立方晶系中,指数相同的晶面和晶向(B)A.相互平行B.相互垂直C.相互重叠D.毫无关联二、是非题1. 金属或合金中,凡成分相同、结构相同,并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为相。