《材料科学基础教学课件》习题1docx.docx
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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
(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。
3.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。
点运动,同时固相点从(AC)向C运动;液相点到达0点时,固相点到达01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0点运动,同时固相点从(BC)向C运动;液相点到达0点时,固相点到达02延长线与BC的交点,0点发生低共熔过程,固相点验02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KaOAhga朝8咨和高岭土AZ3淄48#空此配判,在收°C烧成。
观察烧成制品的显微结杓,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)制品结杓中,莫来石和玻璃相%为切小?
5.氧化物A0和SiCh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80°C保温2小时,然后淬冷
(3)熔融态保留3小时,在液相线以下80°C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AOSiO2,同时有玻璃相
(4)熔融态保留2小时,迅速冷却到液相线以下200°C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。
SiOz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AOSiO2,(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;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Al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。
(4)分析图中1、2、3点的析晶过
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AI2O3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Al203-Si02系统相图,在SiO2-Al2S3分二元系统中,纯SiOz熔点为1723度,低共熔点靠近SiO2-侧,液相线很陡,故加入AL03到SiOz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AI2O3是很有害的杂质。
第二章固相反应
1.镣(Ni)在0.1大气压的氧气中氧化,测得其重量增量(jig)如下表:
温度°C
时
间
Ihr
2hr
3hr
4hr
550
9
13
15
10
600
17
23
29
36
650
29
41
50
65
700
56
75
88
106
(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口的AI2O3球形颗粒。
在固定温度实验中的第一个小时有20%的AI2O3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=lh;故x=l时,t=25h.
(2)x2=KPt,其中x=Ro[l-(l-G)1/3],则G=0.2时,2t=lh;故G=1时,t=194.6h.
4.要合成镁铝尖晶石,可供选择原料为MgCCh、Mg(OH)2、MgO、A12O3-3H2O.
Y-AI2O3、cc-A12O3o从提高反应速率角度出发,应选择什么原料?
选用MgCOs和A12(V3H20
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°CK值
8006.1xIO”
12004.1x10-2
14003.1x10'
由K=Aexp(-Q/RT),作lnK-1/RT图线
T(°C)
1/(RT)
K
InK
800
0.00011208
6.1x101
-7.40205
1200
8.16475E-05
4.1x10”
-3.19418
1400
7.18878E-05
3.1x10「'
-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1500°CMg0正常晶粒长大期间,观察到晶体在1小时内从l|im直径长大至I]10|imo已知晶界扩散能为60Kcal/mol,试预测在1600°C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)
D1-Do=kt
Tl=1773.15K,T2=1873.15K;tl=lh,t2=4h,Do=lUm;Dl=10um
由Do=lUm;Dl=10um;tl=lh得ki=99
进一步得k2=245.73
D22=Do2+k2t2=983.9
D2=31|ini
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。
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600°C和700°C,第一个试样加热到600°C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700°C发生同样变化用了30分钟,试问加热到750°C时晶粒尺寸发生这样的变化需要多少时间?
U=U0exp(-E/RT)又D=UAt
D相同时,Tl=873.15K,T2=973.15K;Atl=30h,At2=0.5h,解得-E/R=-34787
当T=1023.15时,At=0.087h
第四章熔融态与玻璃通性
1.试用lgn=E+F/(T-T0)方程式,绘出下列两种熔体在1350°C~500°C间的粘度-
温度曲线(lgT|〜1/T):
E
F
To
No.l
1.631
4229
219
No.2
1.769
4690
216
情体一inn-1at
2.一种熔体在1300°C的粘度是3100泊,在800°C是10。
泊,在1050°C时其粘度是多少?
在此粘度下急冷,是否形成玻璃?
rln3100=A+B/1573.15
Llnl08=A+B/1073.15
解得A=-14.24B=35052.71
故Inn=-14.24+35052.71/T
当T=1050°C时,n=2.09X105泊因n〈10"泊,故可形成玻璃。
3,决定玻璃熔体中复合阴离子团大小和结构的主要因素是什么?
试从熔体结
构概念比较以下玻璃成分的粘度大小顺序:
玻璃成分
SiO2
AI2O3
CaO
Na?
。
1
75
0.5
8.5
16.0
2
75
2.0
8.0
15.0
3
75
2.0
9.0
14.0
决定玻璃熔体中复合阴离子团大小和结构的主要因素是氧化物的含量不同;
CaO、Na2。
为网络改变体,可以降低玻璃的粘度,因Na2O的作用较大,故粘度大小:
1<2<3。
4.实验获得Na2O-Al2O3-SiO2和Na2O-B2O3-SiO2系统玻璃的分子体积随组成中R2O3含量变化如下图,试解释其原因。
08162432
R2O3mol%
B2O3:
B2O3含量较少时,处于压0打四面体状态,粘度增加,分子体积减小,当B2O3与Na20含量比达1:
1时粘度达到最大值;然后B2O3含量继续增加,部分压0」四面体变为[BO,]三角体,结构疏松,粘度降低,分子体积增大。
Al203:
一般以[A106]A面体存在,但有碱金属氧化物或碱土金属氧化物存在时呈[A1OJ配位,与[SiO』连成复杂的负离子团使粘度增加,分子体积减小;而当这两种氧化物提供的自由氧被AL。
用光时,粘度降低,分子体积增大。
5.试述石英晶体、石英熔体、Na2O-2SiO2熔体结构的区别,如何用实验方法区分它们?
石英晶体的结构特点是构成晶体的质点在三维空间作有规则的周期排列,呈现远程有序;而石英熔体、Na2O-2SiO2^体都属于非晶体,呈现近程有序远程无序。
先对三种试样作X射线散射,有尖锐衍射峰的是石英晶体,出现馒头峰的是石英熔体、Na2O-2SiO2熔体,再对出现馒头峰的试样做电导率测试,电导率高的是Na2O-2SiO2熔体,电导率低的是石英熔体。
6.如右图所示同一组成的玻璃经退火处理(a)和急冷(b),两种试样测得的膨胀
曲线,两者明显不同,试说明原因。
急速冷却得到的是淬火玻璃,熔体在较高的温度偏离平衡结构,把原来疏松的结构保持下来;而缓慢冷却得到的退火玻璃,熔体在较低的温度偏离平衡结构,把紧密的结构保持下来。
所以在加热膨胀,温度较低时,淬火玻璃的疏松结构较退火玻璃的紧密结构有较大的膨胀性能,但在高温下,退火玻璃有较好的膨胀性能。
7.试比较下列玻璃在某一温度下的粘度大小,并说明原因。
玻璃成分如下表所
玻璃
SiO2
Na?
。
CaO
MgO
BaO
1
82.0
18.0
-
-
-
2
78.0
18.0
4.0
-
-
3
78.0
18.0
-
4.0
-
4
78.0
18.0
-
-
4.0
解:
将1看作是78.0%Si02+18.0%Na20+4.0%Si02
则4种成分相当于1中加入4%的网络形成体Si。
?
,有增大粘度的作用;2、3、4中都加入的是碱土金属氧化物,降低粘度的顺序:
Ba0>CaOMgO;故最终的粘度大小:
1〉3>2>4。
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