思考题

位错的运动及其性质。

①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。

②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。

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。

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:

①空位机制,其中一个原子与相邻空位交换位置。

②间隙机制,自间隙原子将一个相邻原子调换到间隙位置上。 ③直接交换机制,相邻原子成对的互相交换位置。

为什么钢铁零件渗碳温度一般要选择γ—Fe相区中进行?若不在γ相区进行会有何结果?

解:α—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α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。γ—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。

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α(Fe ) 与γ( 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<金属键晶体的扩散系数。

3.①晶体结构反映了原子在空间的排列情况,原子排列越紧密,原子间的结合力越强,扩散激活能越高,而扩散系数越小;②处于晶体表面、晶界和位错处的原子位能总高于正常晶格上的原子,他们扩散所需的活化能也较小,相应的扩散系数较大。

D表面>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.α(Fe )属于体心结构,γ( 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Dγ-Fe与在体心立方点阵的Dα-(Fe)相比, 在912℃时,Dα-(Fe)≈280Dγ-Fe 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: ① 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。

② 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。

③ 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:Tg<T<Tm,液体内的扩散

在 f~g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:

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:①W(Sn)=61.9% w α = (97.5?61.9)/( 97.5?19 )×100%=45.35%,w β =1?w α =54.65%

②W(Sn)=50% w α = (61.9?50)/(61.9?19 )×100%=27.74%,w β =1?w α =72.26%

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;

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 吸附力 选择性 吸附热 吸附速度 吸附层 物理吸附 分之间力 不明显 近于液化热0-20kJ/mol 速度快易平衡 单或多分子 化学吸附 化学键力 很显著 近于反应热80-400kJ/mol 速度慢难平衡 只能单分子 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 0.047 2)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

三种润湿的数学表达式? 共同点及其规律?

解:①沾湿:WA = -ΔG = ?Sg+ ?Lg-?SL ② 润湿:Wi= -ΔG = ?sg - ?sL ③ 铺展:S = -ΔG = ?sg - ?Lg - ?sL

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+ ?LgWa = ?Sg + ?Lg-?SL 浸湿Wi = A = ?Sg-?SL

铺展S = A -?Lg ?Sg越大,?SL越小,粘附张力A越大,越有利于各种润湿;

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