碩士研究生入學考試粉末冶金原理歷年真題大題-資料下載頁

　　

【正文】 94MPa 五、問答試推導燒結頸處燒結驅動力燒結初期：根據YoungLaplace 方程，作用在頸部彎曲面上的應力σ為 σ=γ(1/x1/ρ) ≌γ/ρ （xρ）作用在頸部的張應力指向頸外，導致燒結頸長大，孔隙體積收縮。與此同時，∣ρ∣的數值增大，燒結驅動力逐步減小。.中期：孔隙網絡形成，燒結頸長大。有效燒結應力Ps為 Ps =Pvγ/ρ.后期：孔隙網絡坍塌，形成孤立孔隙→封閉的孔隙中的氣氛壓力隨孔隙半徑R收縮而增大。=nRT氣氛壓力Pv=6nRT/(πD3)若氣氛初始壓力為Po，孔隙尺寸為Do，收縮至D時所對應的氣氛壓力Pv為Pv=(Do/D)此時，燒結驅動力σ=4γ/D令Ps=0，即封閉在孔隙中的氣氛壓力與燒結應力達到平衡，孔隙收縮停止。什么是假合金，怎樣才能獲得假合金？兩種或兩種以上金屬元素因不經形成固溶體或化合物構成合金體系通稱為假合金，是一種混合物； 假合金形成的條件是形成混合物之后兩種物質之間的界面能，小于他們單獨存在時的表面能之和，即 γ AB γ A+ γ B？？致密材料或高密度低孔隙材料的應力集中因子、斷裂強度與裂紋尺寸之間是何種關系？2009三、分析題？？作圖并推導巴爾申壓制方程。圓柱壓坯 高度H 截面積A，實際粉末實際的接觸面積為AH ；
當P壓力時，對應高度H,再加dP壓力時高度為Hdh
完成壓制時，H= H0， P=P0
根據古典力學，彈性壓縮服從虎克定律：dh并非應變，而是絕對變形量，應用于粉末壓制
AH為粉末顆粒部分，排除孔隙部分
應變： k，k‘都與L0或H0相關 當壓力p 增大，AH增大，顆粒接觸面積增大。沒有加工硬化—材料硬度不變
屈服強度為恒定(假設) L為壓制模數
假設條件：無加工硬化，彈性體，無摩擦 ??作圖并建立燒結時原子體積擴散遷移機構的動力學方程。燒結動力學方程燒結頸長大是頸表面附近的空位向球體內擴散，球內部原子向頸部遷移的結果。頸長大的連續方程dv/dt=Jv=單位時間內通過頸的單位面積空位個數，即空位流速率。A=擴散斷面積 Ω=一個空位的體積由Fick第一定律Jv=Dvˊ.▽Cv= Dvˊ.△Cv/ρDv‘=空位擴散系數（個數）若用體積表示原子擴散系數，即Dv=Dv‘Cvo=(Q/RT)dv/dt=A Dv‘.Ω.△Cv/ρ其中A=(2πX).(2ρ)；V=；ρ=X2/2a→x5/a2=20DvγΩ/KingeryBerge方程：ρ=X2/4ax5/a2=80DvγΩ/三、計算題？？氫氣還原金屬氧化物制備金屬粉末（WO2還原），已知平衡常數，LgKp=3225/T+，分別計算700oC、850oC氣氛中水的含量T= 973 LgKp=3225/973+=, Kp=PH 2 O/PH 2 = T =1573 LgKp=3225/1573+=, Kp=PH 2 O/PH 2 = ？？裂紋尺寸等于2微米，求粉末粒徑為10微米時的彈性模量與破碎應力。單向壓制，壓坯1/2處高度壓力和壓坯底部單位壓力的計算，壓坯高度40mm，直徑40mm，單位壓力2000MPa。 μ*ζ=當考慮消耗在彈性變形上的壓力時 P1=Pe8Hμ*ζ/D故壓坯1/2處高度的壓力 P1=3297MPa壓坯底部單位壓力 P2= 2000/e=當保護氣體壓力為一個大氣壓時，求燒結體中尺寸不再發生變化時的空隙變化。有效燒結應力Ps為Ps =Pv2γ/r令Ps=0，即封閉在孔隙中的氣氛壓力與燒結應力達到平衡，孔隙收縮停止。聯立方程得 D=四、討論題為什么利用X射線衍射也可以分析粉末粒徑，基本原理是什么？由于粉末顆粒的尺寸大于光波長，當粉末的懸浮液流被一束單色光（如激光）直射時，相干光的散射角大小將隨顆粒直徑成反比變化，而散射光的強度則與顆粒直徑的方根值有關。因此，用微機采集和分析散射光的強度角度掃描數據就可以提供粉末粒度組成的信息。該法具有方便、迅速、結果重現性好的特點，適合測量1200μm范圍的粒度及粒度組成。？？討論金屬氧化物還原制備金屬粉末的熱力學條件因素，并以Fe2OFe3OFeO，Fe的還原過程進行說明，并作圖。如何控制粉末的粒度和純度？熱力學條件：金屬氧化物的離解壓(PO2)XO大于還原劑的氧化產物的離解壓(PO2)MeO。換句話說，在還原溫度下，氧與還原劑X的親和力大于氧與金屬元素的親和力。鐵的氧化物被碳分步還原，遵循下述反應， C+CO2=2CO FeOx+CO→FeOy+CO2 其中XY，X=,4/3,1；Y=4/3,1,0。當X=0，則鐵被還原。，CO才是直接還原劑。雖然固體碳也能還原鐵的氧化物，但反應界面很小，碳的固相擴散速度與碳以CO形式的氣相遷移相比幾乎可以忽略，在整個還原過程中處于次要地位。,CO兩相圖的重疊，當溫度T570℃，Y值在4/3→1→0范圍內依次變化即由Fe2O3→Fe3O4→浮斯體（FeO. Fe3O4固溶體）→Fe（金屬鐵）； 當T570℃，則Y值在4/3→0之間依次變化（此時氧化亞鐵不能穩定存在）。Fe3O4被CO開始還原成FeO的溫度為650℃，使FeO還原成金屬Fe的開始溫度為685℃。T＞T2溫度，為C的氣化反應所形成 CO%高于平衡下所需CO％，Fe穩定存在。
IF C的氣化反應產生CO% 高于Fe2O3存在狀態所需要的CO％，but，不足于將FeO還原成Fe的氣相中的CO％，因此T1～T2之間，FeO穩定存在。
在T1溫度之下，只有Fe3O4穩定存在。
只要還原溫度高于650℃，就有利于還原反應正向進行，有利于還原過程。
在900～1000℃，CO穩定存在，因此升高溫度有利于還原過程。
一定范圍內提高還原溫度，盡可能縮短還原時間、正確判斷還原終點可控制粉末的粒度和純度。？？為什么要采用熱等靜壓，使用熱等靜壓的基本條件是什么？因為熱等靜壓幾乎能消除粉末坯體中的所有孔隙，；在壓力作用下，加熱溫度低于通常的燒結溫度；無成份偏析；核廢料HIP處理，避免環保問題和對操作人員的損害；鑄件等的后處理，消除孔洞或裂紋等；熱等靜壓適合用于生產全致密、高性能、難燒結粉末冶金制品。？？討論固相燒結后期，孔隙為什么會球化，小空隙為什么會消失？燒結坯中孔隙對晶界遷移施加了阻礙作用，即孔隙的存在阻止晶界的遷移。粉末顆粒的原始邊界隨著燒結過程的進行一般發展成晶界。而燒結坯中的大量孔隙大都與晶界相連接。孔隙對晶界遷移施加的阻力隨其中孔隙尺寸的減小和孔隙的數量的下降而降低。當孔隙度固定時，孔隙數量愈大，這種阻礙作用也愈強。相應地，晶粒長大趨勢亦小。對于相同材質的金屬或合金粉末在相同燒結條件下，粒度粗的粉末易得到較粗大的晶粒。而粒度較細的粉末則易獲得較細小的晶粒結構。因為在細粉的情形下，孔隙數量大，對晶界的阻礙作用較強。但燒結溫度過高或燒結時間過長，則又為聚集再結晶提供高的能量條件。當燒結坯中的孔隙尺寸和總孔隙度下降到一定程度后，孔隙的阻礙作用迅速減弱，導致晶界與孔隙發生分離現象。這時，晶內孔隙形成。2010四、問答題根據還原法制備鎢粉時的粒度粗化機理，簡述獲得細粒度鎢粉在選擇還原工藝參數方面的努力。（第3次）(1)原料： A 粒度：當采用WO3時，其粒度與還原鎢粉粒度間的依賴性不太明顯，而主要取決于WO2的粒度。目前，采用藍鎢（藍色氧化鎢）作原料。該原料具有粒度細、表面活性大，W粉一次顆粒細和便于粒度控制的特點。 B 雜質元素：影響透氣性或生成難還原化合物。. K、Na等促使鎢粉顆粒粗化；. Ca、Mg、Si等元素無明顯影響：. 少量Mo、P等雜質元素可阻礙W粉顆粒長大（2）還原方式：二階段還原（3）氫氣：降低氫的露點，流量不宜過高，順流通氫。（4）還原工藝條件： .還原溫度T：降低T，高的溫度會提高鎢氧化物的水合物在氣相中的濃度，顆粒粗化； .推舟速度V：降低V，推舟速度打導致氧氣增加，高氧指數的氧化物具有更大的揮發性，提高濃度，顆粒粗化； .料層厚度t：降低t，料層厚度過高不利于氫向底層物料的擴散，鎢氧化物的含氧量高，顆粒粗化。（5）添加劑：少量的添加劑如Cr、V、Ta、Nb等的鹽可抑制鎢粉顆粒的粗化。活化燒結與強化燒結有何異同？（同2004年第7題）活化燒結與強化燒結的比較活化燒結：系指能降低燒結活化能，使體系的燒結在較低的溫度下以較快的速度進行、燒結體性能得以提高的燒結方法。（采用化學或物理的措施，使燒結溫度降低、燒結過程加快，或使燒結體的密度和其它性能得到提高的方法稱為活化燒結）強化燒結是泛指能夠增加燒結速率，或能夠強化燒結體性能（合金化或抑制晶粒長大）的所有燒結過程，包括位錯激活燒結，高溫燒結，活化燒結，液相燒結，自蔓燃反應燒結粉末注射成形采用微細粉末作原料具有哪些技術上的優越性？（第6次）細粉末提高粉末燒結驅動力和脫脂后坯體的強度，便于混練和注射，制造形狀復雜、薄壁、小尺寸件。？？巴爾申提出的三個基本假設在建立壓制方程中有何意義？（1）他將粉末體當作理想彈性體看待，這是為了運用虎克定律于壓制過程，實際上，粉末體在壓制過程中并不適用虎克定律。（2）假定粉末變形時無加工硬化，這樣虎克定律也可用于塑性變形。巴爾申認為，在塑性變形時，沒有加工硬化的條件下，接觸區的應力可以理解為金屬粉末顆粒接觸區的應力也應不變。（3）忽略膜壁摩擦，簡化受力分析，運用虎克定律。？？簡述經固相燒結的粉末燒結鋼的晶粒較同成份的鑄鋼細小的原因。（第4次）粉末燒結初、中期，晶粒長大的趨勢較小，在燒結后期才會發生可觀察到的晶粒長大現象，但與普通材料相比較，燒結材料的這種長大現象幾乎可以忽略，原因有二：孔隙、夾雜物對晶界遷移的阻礙；燒結溫度低于鑄造溫度。？？燒結過程中表面遷移方式有哪幾種形式？根據雙球模型，簡述其物質的具體遷移方式（也可圖示說明）。（第2次）表面遷移包括表面擴散和蒸發凝聚。？？為什么在模壓坯件中出現密度分布不均勻？產生壓坯密度分布有什么主要危害？（第一問出現三次）剛模壓制時，由于摩擦力的作用，在壓坯高度方向存在壓力降低。因此造成壓坯的各處密度不均勻。壓坯密度分布不均勻的后果：.不能正常實現成形，如出現分層，斷裂，掉邊角等；.燒結收縮不均勻，導致變形；.限制拱壓產品的形狀和高度。、粉末原料在哪些情況下需作制粒處理？為什么？.細小顆粒的粉末或硬質粉末(為便于成形需添加成形劑\改善流動性添加粘結劑）.進行自動壓制或壓制形狀較復雜的大型P/M制品五、分析、計算題一個以A、B兩種粉末為原料構成成分為80%A20%B的混合粉，然后再上述混合粉中添加一定量的成形劑。金屬粉末組元為99%，成形劑為1%。該粉末混合物在一定壓制壓力下成形。請計算該粉末壓坯中孔隙度。若在一定溫度下脫除其中的成形劑，預燒后坯件中的孔隙度是多少？注1）金屬A； 2）均為質量百分數；3）不考慮脫除成形劑時有可能出現的尺寸變化； 4）計算過程中密度值保留到小數點后兩位。手寫以WNiFe重合金為例，分析液相燒結的三個基本條件在合金燒結致密化過程中的作用。（第6次，不過要聯系實際）液相燒結的三個基本條件：潤濕性、溶解度和液相數量（1）液相必須潤濕固相顆粒：這是液相燒結得以進行的前提（否則產生反燒結現象）。即燒結體系需滿足方程 γS=γSL+γLCOSθ (θ為潤濕角)液相燒結需滿足的潤濕條件是θ90；當θ=0，液相充分潤濕固相顆粒，這是最理想的液相燒結條件；當θ90O，固相顆粒將液相推出燒結體，發生反燒結現象。當0θ900，這是普通的液相燒結情況，燒結效果一般。如果θ90，燒結開始時液相即使生成，液會很快跑出燒結體外，稱為滲出。這樣，燒結合金中的低熔組分將大部分損失掉，使燒結致密化過程不能順利完成。
液相只有具備完全或部分潤濕的條件，才能滲入顆粒的微孔和裂隙甚至晶粒間界。（2）固相在液相中具有有限的溶解度：有限的溶解可改善潤濕性；增加液相的數量即體積分數，促進致密化；馬欒哥尼效應（溶質濃度的變化導致液體表面張力的不同，產生液相流動）有利于液相遷移；增加了固相物質遷移通道，加速燒結；顆粒表面突出部位的化學位較高產生優先溶解，通過擴散和液相流動在顆粒凹陷處析出，改善固相晶粒的形貌和減小顆粒重排的阻力。但較高的溶解度導致燒結體的變形和為晶粒異常長大提供條件，這是不希望的。（3）液相數量：在一般情況下，液相數量的增加有利于液相均勻地包覆固相顆粒，為顆粒重排列提供足夠的空間和致密化創造條件。同時，也可減小固相顆粒間的接觸機會。但過大的液相數量造成燒結體的形狀保持性下降。有兩種鐵基粉末A與B，且硬脂酸鋅添加量相同，但A、B粉末中的鐵粉分別為還原鐵粉和霧化鐵粉。兩種粉末在500MPa下于Φ15的模具中采用相同壓制方式分別成形。請你判斷：脫模后，兩種粉末對應的壓坯密度和壓坯強度有無差異？為什么？有差異。還原鐵粉：顆粒形狀復雜，粉末成形性能好，粉末純度、壓縮性較低。霧化鐵粉：包括水霧化鐵粉和氣霧化鐵粉水霧化鐵粉顆粒表面粗糙，易得氧含量較低、壓縮性較好的不規則粉末；氣霧化鐵粉顆粒近球形；故壓坯密度：還原鐵粉水霧化鐵粉氣霧化鐵粉 壓坯強度：還原鐵粉水霧化鐵粉氣霧化鐵粉30 / 30