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液态金属凝固的热力学和动力学.doc
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45第4章液态金属(合金)凝固热力学和动力学凝固热力学和动力学的主要任务是研究液态金属(合金)由液态变成固态的热力学和动力学条件。凝固是体系自由能降低的自发过程,如果仅是如此,问题就简单多了。凝固过程中各种相的平衡产生了高能态的界面。这样,凝固过程中体系自由能一方面降低,另一方面又增加,而且阻碍凝固过程的进行。因此液态金属凝固时,必须克服热力学能障和动力学能障凝固过程才能顺利完成。4.1凝固的热力学基础金属凝固过程可以用热力学原理来描述。热力学可以用于判断一个凝固过程是否可能发生,以及发生的程度如何。而对于凝固过程的判断,同样也是使用热力学状态函数来进行的。本节主要涉及状态函数的概念、状态函数之间的关系、及自发过程的判据。为下面学习凝固的形核与生长,创造必要的基础。4.1.1状态函数的概念几个重要的热力学术语:体系:具有指明界限与范围的研究对象。环境:与体系有联系的外界。状态:体系的物理、化学性质均匀、固定时的总和。状态函数:与过程无关。过程:体系发生变化从一个状态到另一个状态的经历。自发过程:从不平衡自发地移向平衡状态的过程,不可逆过程。图4.1容器内气体压力做体积功的是以描述金属凝固过程,可以采用热力学函数。但某些热力学函数,在描述过程变化的状态时,与过程所经历的“历程”有关。比如功,在纯做体积功时,某容器内的气体由状态1,即该状态下的压力及体积分别为1p,1V经过不同的路径,变到状态2,即压力为2p,体积为2V的状态。当路径改变时(图4.1),虽然,始态与终态系相同,压力所做的体积功pdVW??46或??)(VVdVVpW必然不同。还有一类热力学函数,与过程经历的“历程”无关,只与研究体系所处的状态有关。我们把这类热力学函数,称为状态函数。讨论凝固过程常用的几个状态函数有:内能物质体系内部所有质点的动能和势能之和,用U来表示,wqdU????。焓体系等压过程中热量的变化,用H来表示,HHHqp????12。熵体系热量和温度的商值,用S来表示。熵是体系混乱程度的量度,即组成体系的粒子愈混乱,其熵值愈大。除上述三个基本状态函数外,还有另外两个常用的状态函数,可用于判断体系过程进行的方向与限度:吉布斯自由能(等压位),用G来表示,有时也叫自由焓。亥姆霍兹自由能(等容位),用F来表示。4.1.2状态函数间的关系焓H与内能U的关系pVUH??吉布斯自由能G、焓H和熵S的关系TSHG??TdSdHdG??亥姆霍兹自由能F、内能U和熵S的关系TSUF??TdSdUdF??根据FpVG??得dFpdVdG??4.1.3自发过程我们知道,当两种不同的气体相遇时,将自发地混合,直至形成完全均匀的混合气体;当不同温度的两个物体接触时,热将由高温的物体流向低温的物体,直到两个物体的温度相等,达到平衡态。因此,从不平衡态自发地移向平衡态的过程称为自发过程。在没有外界影响下,这个过程不可逆转,故自发过程又叫不可逆过程。为判别系统的自发过程能否进行,有两个判据可供利用:第一,自由能最低原理:0,??VTF。用文字来表述,即等温等容条件下体系的自由能永不增大;自发过程的方向力图减低体系的自由能,平衡的标志是体系的自由能为极小。47第二,自由焓判据:0,??pTG。有时我们把吉布斯自由能也叫自由焓。用文字表述,即等温等压条件下,一个只做体积功的体系,其自由焓永不增大;自发过程的方向是使体系自由焓降低,当自由焓减到极小值时,体系到达平衡。运用自发过程判据,可判别一个凝固过程能否自发地进行,从而进一步了解形核与生长得以开展的热力学条件。4.2液态金属(合金)凝固热力学4.2.1液态金属(合金)凝固热力学条件水冷却到0℃以下会结冰,液态金属(合金)从高温冷却到低温,也会发生从液态向固态转变的结晶过程,结晶是一个体系自由能降低的自发进行的过程。现以纯金属为例,进行说明。由热力学状态函数间的关系,可导出下列关系SdTVdpdG??金属结晶一般在恒压下进行,故上式又可简化为STGp????)(已知体系的熵恒为正值。对金属来说,温度升高时,其吉布斯自由能降低,降低速率取决于熵值大小。另一方面,液态金属属短程有序排列结构,紊乱度自然大于固态金属,故有高的熵值,其吉布斯自由能随温度上升而降低的速率高于固态金属。对上式求二阶偏导数,有ppTSTG)()(22??????并利用基本关系式VdpTdSdH??等压条件下,上式第二项为零。又知等压热容可表示为ppTHC)(???于是有0)()(22?????????TCTSTGpp运用上面公式推导,可以描绘出纯金属液、固两相吉布斯自由能与温度的关系曲线。由图4.2可见,液、固金属的吉布斯自由能曲线,在温度为mT时相交,液、固金属达到平衡。mT即为纯金属的熔点。当温度mTT?时,液态金属比固态金属的吉布斯自由能低。据吉布斯最小自由能原理,金属便自发地发生熔化过程。温度T时两相吉布斯自由能差G?,即为熔化的驱动力。反之,当温度mTT?时,金属即发生凝固。48STHGGGTSHGTSHGSLSSSLLL???????????在熔点附近凝固时,热焓和熵值随温度变化的数值可忽略不计。则由??mmmTTTmmTTTmTTLTTTLGLHHSSHHTTTHSGTTmmmmmm????????????????????0,式中TTTm???称为过冷度。过冷度是结晶自发进行的必要条件。图4.2纯金属液、固两相吉布斯自由能与温度的关系可见,金属凝固的驱动力,主要取决于过冷度T?,过冷度越大,凝固的驱动力越大。因此,金属不可能在mTT?时凝固。4.2.2液态金属(合金)凝固过程及该过程中能量的增加在相变驱动力G?或过冷度T?的作用下,液态金属开始凝固。凝固过程不是在一瞬间完成的。首先产生结晶核心,然后是核心的长大直至相互接触为止。但生核和核心的长大不是截然分开的,而是同时进行的,即在晶核长大的同时义会产生新的核心。新的核心又同老的核心一起长大,直至凝固结束。凝固过程总的来说是由于体系自由能降低自发进行的。但在该过程中,自由能一方面降低,另一方面又增加。当能量降低起主要作用时,凝固过程就进行;当能量以增加为主时,就发生熔化现象。根据相变动力学理论,液态金属中原子在结晶过程中的能量变化如图4.3所示,高能态的液态原子变成低能态的固态中的原子,必须越过能态更高的高能态AG?区,高能态区即49为固态晶粒与液态相间的界面,界面具有界面能,它使体系的自由能增加。生核或晶体的长大,是液态中的原子不断地经过界面向固态晶粒堆积的过程,是固一液界面不断地向前推进的过程。这样,只有液态金属中那些具有高能态的原子,或者说被“激活”的原子才能越过高能态的界面变成固体中的原子,从而完成凝固过程。AG?称为动力学能障。之所以称为动力学能障,是因为单从热力学考虑,此时液相自由能已高于固相自由能,固相为稳定态,相变应该没有障碍,但要使液态原子具有足够的能量越过高能界面,还需动力学条件。因此,液态金属凝固过程中必须克服热力学和动力学两个能障。图4.3金属原子在结晶过程中的自由能变化热力学能障和动力学能障都与界面状态密切1
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吉布斯自由能降低的过程,是否一定是自发过程?
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没问题,可以的.吉布斯自由能判据是反应发生的三大判据之一,另外两个是熵判据和平衡常数判据.另外再多说两句,如果题目中说是焓降低的过程是不能作为自发反应的判据的.
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超硬材料烧结,金属烧结考试试题答案版
金属烧结,超硬烧结,考试试题带答案详解版
一、名词解释：
比表面:单位质量粉末具有的总表面积或单位体积粉末所具有的总表面积
流动性：用50克粉末流过标准流速漏斗所需要的时间
成型性：压制后粉末压胚保持既定形状的能力
烧结:指粉末或压胚在一定的外界条件和低于主要组元熔点的烧结温度下所发生粉末颗粒表面减少，孔隙体积降低的过程 韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力
抗压应力:指外力是压力时的强度极限
砂轮动不平衡：是指旋转零件在运转时，由于零件形体不规则或密度不均匀而造成的震动现象。
弹性内应力：内聚力又称粘结强度，是在同种物质内部相邻各部分之间的相互吸引力，这种相互吸引力是同种物质分子之间存在分子力的表现。
弹性后效：弹性后效指的是材料在弹性范围内受某一不变载荷作用，其弹性变形随时间缓缓增长的现象
松装密度：粉末自然填充规定的容器时单位容积内粉末的质量。
热压烧结：在一定的温度下进行压制成型或一定的压力下进行烧结的工艺。
固相烧结：按其组元多少可分为单元系固相烧结和多元系固相烧结两类。
液相烧结：在生成的液相参与下，通过粘性流动，润湿，溶解，沉淀等快速物质迁移过程最终消除几乎所有的空隙可获得高密度，高性能的烧结产品。
冲击磨损：超载荷的机械的和热的作用，或疲劳引起金刚石的碎裂而脱落。
耐磨性：材料抵抗磨损的性能。
强度：材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。
硬度：结合剂对磨粒的把持力。
粉末冶金：是以金属粉末压缩性：粉末在压制过程中被压紧的能力。
金刚石浓度：单位体积工作层内金刚石或CBN磨粒含量。
粉末冶金：金属与非金属的混合物为原料通过成型烧结或热成型制成金属制品或材料的一种冶金工艺。
二、填空：
1金刚石锯片水槽类型常用的有：_匙孔水槽_，平底直水槽__，_ 非标准水槽_.
2磨具的后加工包括_车加工_和__磨加工__.
3高频焊接时，焊剂的作用是_去除表面氧化物、__保护焊缝金属__填满焊缝__
4浸渍法烧结生产钻头时，钻头的烧结温度要高于粘结金属的熔点，目的是让黏结金属充分熔化_和__有一定流动性___. 5为了提高压制层和基体的结合强度，需要基体上进行____________和___________等机械加工，也可以对其表面进行______________化学处理。
6粉末的压制性包括__压缩性_和_成型性__两个方面。
7改善密度的方法有_降低压胚的高径比_、_降低横壁粗糙度__、_添加润滑剂等.
8金刚石锯切工具结合剂基本类型有：钴基结合剂，铁基结合剂，青铜基结合剂，和碳化钨基结合剂
9酸性溶法主要用来检测金属粉末中_二氧化硅、三氧化二铝、碳化物、硅酸盐、粘土___等杂质的总含量。氢损值只是近似反映了粉末中的__氧___含量。
10比表面为单位质量粉末具有的总表面积或单位体积粉末具有的总表面积。它与单颗粒性质 _、_粉末体性质_、等有关。 11金刚石地质钻头主要由钻头体，胎体，__金刚石__，_ 骨架材料 _和粘结金属___等几个部分组成。
12粉末受力后，压坯除受到了正压力和摩擦力之外，还受到侧压力（垂直于模壁上的力，较小）、弹性内应力、脱模力等的作用。
13粉末对阴模壁的静摩擦系数主要与粉末性能、润滑剂、模具质量、压制压力等因素有关。
14从热力学观点看，坯体的烧结过程是系统自由能减小的过程，对等温烧结来说，也就是系统过剩自由能降低的过程，过剩自由能包括表面能和晶格畸变能。
15表面扩散只涉及到质点的表面迁移，颗粒之间并不会发生收缩低温时，表面扩散起主导作用，而在高温下，让位于体积扩散；烧结早期孔隙连通，表面扩散的结果导致小孔隙的缩小与消失，大孔隙长大；烧结后期表面扩散导致孔隙球化。
16金刚石浓度的涵义是：单位体积工作层内金刚石或CBN磨料含量（或所占体积）。国内外通用的浓度表示方法是，工作层内磨料所占体积比为25%，金刚石（密度3.25g/M3）含量0.88g/M3，规定为100%浓度。其余浓度以此为基准。
17对基体的结构进行合理的设计。在Ⅰ、Ⅱ类基体中，采用径向的单燕尾槽和轴向凹槽相结合的形式；Ⅲ类基体在金刚石较宽条件下采用，它除了有轴向沟槽外还有径向沟槽等，其目的是增加平面刚体表面与金刚石层的结合强度。
18对金刚石磨具中金刚石选择的一般原则是：粗糙、高切除率的磨削，要求粗粒度和高浓度；而粒度细和低浓度，则适用于精磨。
19金属结合剂磨具中，金属结合剂中加入镍增加强度和耐磨性，加入钛、钴、钼、铬增加强度和热学性能，加入镍、镉耐腐蚀性，加入铁改善金刚石的润湿性和出刃性差。
20磨具组织三要素（磨料、结合剂和气孔）是影响磨具强度和磨削性能的重要因素。一般的规律是：组织致密，则强度高、硬度高、耐磨性好、几何形状保持好，但磨削时的冷却润滑性能差，容易产生烧伤和堵塞现象。
21冲击磨损主要是由于对金刚石冲击太大和金刚石与胎体材料结合力弱引起的，解决的方法是：采用高强度金刚石、降低金刚石吃入深度、降低切割速度、强包镶、加强胎体的耐磨性;
22金刚石锯片磨损失效影响因素有：（1）胎体的耐磨性（2）金刚石性能(强度\热稳定性)（3）切割速度（4）金刚石吃入深度
（5）金刚石与胎体结合强度等
23锯片基体主要作用：（1）承接切割单元（节块）；（2）连接设备的刚性部件 ； 所以：（1）与节块有很的结合性能；（2）强度满足要求。
24金刚石锯片基体中水槽的作用：排屑，冷却，减少应力集中。
25钻头唇面直接与孔底岩石接触，结构形状影响钻头的受力、排粉、冷却及钻进效果。
26水路系统是钻头钻进过程中进行冷却、排粉的主要通道。主要有三个部分：水口和水槽、孔底岩石与金属胎体之间的间隙、钻头外表面与岩石孔壁、钻头内表面与岩芯之间的间隙。
27软、中硬地层采用高硬度胎体；硬、坚地层，弱研磨性地层采用低硬度胎体；强研磨、破碎地层用高硬度、强研磨性胎体； 28钻头中金刚石的选择主要采用MBD6-MBD12或SMD型号金刚石, 粒度选择一般为80/100,70/80,60/70,50/60,40/50。一般是岩石越硬，则品质越高，粒度越细；岩石越软，则低强度，粗粒度；
29非金属粉末的添加剂主要有石墨和四氧化铁。其中石墨的主要作用是润滑作用、造孔作用、吸氧作用。
30薄壁工程钻头中胎体必须具有高的冲击韧性，以应付钢筋，卵石，松动的混凝土的钻进。并且对金刚石有良好的润湿性，以牢固包镶金刚石，烧结温度不易过高，防止金刚石烧结温度下降。
三、简答题：
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