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第一章8.計(jì)算以下晶體的離于鍵與共價鍵的相比照例(1)NaF(2)CaO(3)ZnS解:1、查表得:XNa=0.93,XF=3.98依據(jù)鮑林公式可得NaF中離子鍵比例為:共價鍵比例為:1-90.2%=9.8%
[1e1(0.933.98)2]100%90.2%42、同理,CaO中離子鍵比例為:4
[1e1(1.003.44)2]100%77.4%4共價鍵比例為:1-77.4%=22.6%43、ZnSZnS中離子鍵含量1e1/4(2.581.65)2100%19.44%共價鍵比例為:1-19.44%=80.56%10說明構(gòu)造轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)條件與動力學(xué)條件的意義.說明穩(wěn)態(tài)構(gòu)造與亞穩(wěn)態(tài)構(gòu)造之間的關(guān)系。答:構(gòu)造轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)條件打算轉(zhuǎn)變是否可行,是構(gòu)造轉(zhuǎn)變的推動力,是轉(zhuǎn)變的必要條件;動力學(xué)條件打算轉(zhuǎn)變速度的大小,反映轉(zhuǎn)變過程中阻力的大小。穩(wěn)態(tài)構(gòu)造與亞穩(wěn)態(tài)構(gòu)造之間的關(guān)系:兩種狀態(tài)都是物質(zhì)存在的狀態(tài),材料得到的構(gòu)造是穩(wěn)態(tài)或亞穩(wěn)態(tài),取決于轉(zhuǎn)交過程的推動力和阻力(即熱力學(xué)條件和動力學(xué)條件)能量最低,熱力學(xué)上最穩(wěn)定,亞穩(wěn)態(tài)構(gòu)造能量高,熱力學(xué)上不穩(wěn)定,但向穩(wěn)定構(gòu)造轉(zhuǎn)變速度慢,能保持相對穩(wěn)定甚至長期存在。但在肯定條件下,亞穩(wěn)態(tài)構(gòu)造向穩(wěn)態(tài)構(gòu)造轉(zhuǎn)變。其次章答復(fù)以下問題:在立方晶系的晶胞內(nèi)畫出具有以下密勒指數(shù)的晶面和晶向:(001〕與[210],(111〕與[112](110)與[111],(132)與[123],(322)與[236]在立方晶系的一個晶胞中畫出〔111)和〔112)晶面,并寫出兩晶面交線的晶向指數(shù)。在立方晶系的一個晶胞中畫出同時位于〔101).(011)和〔112)晶面上的[111]晶向。(101)(011) (101)
(101)解:1
[110]
[111]
[111]有一正交點(diǎn)陣的a=b,c=a/2624立方晶系的{111},1110},{123〕晶面族各包括多少晶面?寫出它們的密勒指數(shù)。寫出六方晶系的{1012}晶面族中全部晶面的密勒指數(shù),在六方晶胞中畫出[1120]、[1101]晶向和(1012)晶面,并確定(1012)晶面與六方晶胞交線的晶向指數(shù)。依據(jù)剛性球模型答復(fù)以下問題:(1)以點(diǎn)陣常數(shù)為單位,計(jì)算體心立方、面心立方和密排六方晶體中的原子半徑及四周體和八面體的間隙半徑。(2〕計(jì)算體心立方、面心立方和密排六方晶胞中的原子數(shù)、致密度和配位數(shù)。用密勒指數(shù)表示出體心立方、面心立方和密排六方構(gòu)造中的原子密排面和原子密排方向,并分別計(jì)算這些晶面和晶向上的原子密度。解:1、體心立方密排面:{110},原子密度:
1412a241.414a2a223a密排方向:<111>3a
1.15a12、面心立方密排面:{111},原子密度:
31312 6 2.3a21( 2a) 3( 2a)2 222a密排方向:<110>2a
1.414a13、密排六方密排面:{0001},原子密度:
6113
1.15a261a 3a22 22密排方向:1120,原子密度: a12a求以下晶面的晶面間距,并指出晶面間距最大的晶面:(1〕室溫下α-Fe的點(diǎn)陣常數(shù)為0.286nm,分別求出〔100),(110),(123〕的晶面間距。 時γ-Fe的點(diǎn)陣常數(shù)為0.365nm,分別求出〔100),(111),(112〕的晶面間距。(3〕室溫下Mg的點(diǎn)陣常數(shù)為a=0.321nm,c=0.521nm,分別求出〔1120),(1010),(1012〕的晶面間距。答復(fù)以下問題:(1〕通過計(jì)算推斷(110),(132),(311〕晶面是否屬于同一晶帶?(2〕求〔211)和〔(110〕晶面的晶帶軸,并列出五個屬于該晶帶的晶面的密勒指數(shù)。解:1、依據(jù)晶帶定律,hu+kv+lw=0,可得(110),(132)的晶帶軸為[112] 3×1+1×1-2×1=2≠0或(132),(311〕的晶帶軸為[158] -1×1+1×5-0×8=4≠0故(110),(132),(311〕晶面不屬于同一晶帶2、依據(jù)晶帶定律,hu+kv+lw=0,可得2u+v+w=0u+v=0聯(lián)立求解,得:u:v:w=-1:1:1,故晶帶軸為[111]32〔31101、(01)〔43〕等。答復(fù)以下問題:(1〕試求出立方晶系中[321]與[401]晶向之間的夾角。(2〕試求出立方晶系中〔210)與〔320)晶面之間的夾角。(3〕試求出立方晶系中〔111)晶面與[112]晶向之間的夾角。解:1、依據(jù)晶向指數(shù)標(biāo)定法可知:矢量OA3i2jk必定平行于[321]晶向矢量OB4ik必定平行于[401]晶向則:這兩個矢量夾角即為[321]與[401]晶向之間的夾角依據(jù)矢量點(diǎn)積公式:OAOBOAOBcos1417即13 1417α=32.58°
cosABOBOAi2k矢量OA,OB,AB的模分別為14, 1417514171417解得:α=32.58°
55cos2、立方系中同指數(shù)的晶面與晶向相互垂直,故〔210)與〔320)晶面之間的夾角與[210]與[320]晶向之間的夾角相等,依據(jù)晶向指數(shù)標(biāo)定法可知:矢量OA2i1j必定平行于[210]晶向矢量OB3i2j必定平行于[320]晶向則:這兩個矢量夾角即為[210]與[320]晶向之間的夾角依據(jù)矢量點(diǎn)積公式:OAOBOAOBcos5即85α=7.1°
13cosABOBOAij2矢量OA,OB,AB的模分別為5, 13,2依據(jù)余弦定理:25132 513cos解得:α=7.1°3、由于〔111)晶面與[112]晶向之間滿足晶帶定律:hu+kv+lw=0,依據(jù)晶帶定律可知,立方晶系中〔111)晶面與[112]晶向平行,故他們之間的夾角為0°。2,1、求[111]與[112]90°2〔111〕與[112]0°第四章純Cu的空位形成能為1.5aJ/atom(1aJ=10-18J),將純Cu850℃后激冷至室溫(20℃),假設(shè)高溫下的空位全部保存,試求過飽和空位濃度與室溫平衡空位濃度的比值。uCvu
AexpkTC850C
Aexp
kT850
exp[u(1 1)]C20 Aexp
u k T T850 20kT20exp[1.51018( 1
1 )]1.381023 850273.15 20273.15e274.2銀在800℃下的平衡空位數(shù)為3.6×1023/m3,該溫度下銀的密度ρ
=9.58g/crn3,銀的摩爾質(zhì)量為M =107.9g/mol,計(jì)算銀的空位形成能。u
Ag Ag解:平衡空位濃度:Cv
AexpkT1m3N
N0
6.0210239.58106 5.341028/m3M 107.9Ag3.61023
1exp u5.341028 1.381023(800273.15)u1.761019J/atom空位對材料行為的主要影響是什么?某晶體中有一條柏氏矢量為a[001]的位錯線,位錯線的一端露頭于晶體外表,另一端與兩條位錯線相連接,其中一條的柏氏矢量為a/2[111],求另一條位錯線的柏氏矢量。答:依據(jù)柏氏矢量的守恒性,另一條位錯的柏氏矢量為:2 2在圖4-52所示的晶體中,ABCD滑移面上有一個位錯環(huán),其柏氏矢量b平行于AC(1)指出位錯環(huán)各局部的位錯類型。 (2)在圖中表示出訪位錯環(huán)向外運(yùn)動所需施加的切應(yīng)力方向。 (3)該位錯環(huán)運(yùn)動出晶體后,晶體外形如何變化?〔〕位錯環(huán)和與ACAC垂直的直線相切的局部為純?nèi)形诲e,其余局部為混合位錯,作圖切應(yīng)力與b平行,作用在晶體上下兩面上。t×b→多余原子面,作圖沿b方向滑出一個柏氏矢量單位的距離在圖4-53所示的晶體中有一位錯線fed,de段正好處于位錯的滑移面上,ofb與AB平行而垂直于BC, (1)欲使de段位錯線在ABCD滑移面上運(yùn)動〔of段因處于非滑移面是固定不動的,對晶體施加怎樣的應(yīng)力? (2〕在上述應(yīng)力作用下de段位錯線如何運(yùn)動,晶體外協(xié)如1可賈化?在圖4-54所示的面心立方晶體的〔111)滑移面上有兩條彎折的位錯線OS和O”S”其中O”S”位錯的臺階垂直十〔(111),它們的桕氏天量如圖中箭頭P)rTo 0〕推斷位錯線上各段位錯的類型。 (2〕有一切應(yīng)力施加于滑移面,且與柏氏矢量平行時,兩條位錯線的滑移特征有何差異?在兩個相互垂直的滑移面上各有一條刃型位錯線,位錯線的柏氏矢量如圖4-55a,b所示。設(shè)其中一條位錯線AB在切應(yīng)力作用下發(fā)生如下圖的運(yùn)動,試問交截后兩條位錯線的外形有何變化?各段位錯線的位錯類型是什么?(1)〔圖a)(2)〔圖b)9.在晶體的同一滑移面上有兩個直徑分別為r;和r:的位錯環(huán),其中rl>r2,它們的柏氏矢量一樣,試問在切應(yīng)力作用下何者更簡潔運(yùn)動?為什么?10.推斷以下位錯反響能否進(jìn)展:aaa[101] [121] [111]2 6 3a a a a幾何條件:[101][121][222][111]2 6 6 3 a a 2能量條件:反響前
b2( 122212)2 a22 6 3反響后
b2
a(
a213 31滿足幾何條件和能量條件,故反響能夠進(jìn)展。a[100]
a a[101] [101]2 2a a a幾何條件:[101] [101] [200]a[100]2 2 2能量條件:反響前
(a
12)2a2反響后
a2(2
1212)2a2滿足幾何條件,但反響前后能量相等,不滿足能量條件,故無外力作用時,該位錯反響不能進(jìn)展。a a a[112] [111]3 6 2a a a a幾何條件:[112] [333] 3 6 6 2能量條件:反響前
ab2(
a 3121212)2 a23 6 4 a 3反響后
b2( a22 4滿足幾何條件,但反響前后能量相等,不滿足能量條件,故無外力作用時,該位錯反響不能進(jìn)展。a[100]
a a[111] [111]2 2a a a幾何條件:[111] [200]a[100]2 2 2能量條件:反響前
b2(a12)2
a2反ab22(
應(yīng) 后3 a232 211.假設(shè)面心立方晶體中”一號[101〕的全位錯以及”一C1211的不全位錯,此兩位錯相遇發(fā)生位錯反響,試問此反響能否進(jìn)展?為什么? (2)寫出合成位錯的柏氏矢量,并說明合成位錯的性質(zhì)12·在面心立方晶體的““〕面上有”一號?!?。彐的位錯,試問該位錯的刃型重量及螺型重量應(yīng)處于什么方向上,在晶胞中畫出它們的方向,并寫出它們的晶向指數(shù)。Cu0.255nm8.9g/cm“63.54g/mol。假設(shè)Cu在交變載荷作用下產(chǎn)生的空位濃度為5X10-11面上聚攏成直徑為20nm的空位片〔相當(dāng)于抽出一排原子而形成位錯環(huán)〕(1)計(jì)算lcm3晶體中位錯環(huán)的數(shù)目。(2〕指出位錯環(huán)的位錯類型。(3〕位錯環(huán)在{111}面上如何運(yùn)動?為什么點(diǎn)缺陷在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的,而位錯則是不平衡的晶體缺陷了柏氏矢量為答巨10〕的全位錯可以在面心立方晶體的哪些{111}面上存在?試寫出該全位錯在這些面上分解為a/6<112>分位錯的反響式。依據(jù)單位長度位錯應(yīng)變能公式〔4-7)以及位錯密度與位向差的關(guān)系式〔4-10),推導(dǎo)出小角度晶界能Y(;與0之間的關(guān)系式: 汽=Y,)B(B一1nB式中4洽h-ol為與位錯中心能有關(guān)的積分常數(shù)·提示:在式〔4-7〕中未考慮位錯中心〔YGYo〕的錯排能,推導(dǎo)時可另加上一常數(shù)項(xiàng)。金屬在真空高溫加熱時,拋光外表上晶界處由于能量較高,原子蒸發(fā)速度較快因而產(chǎn)生溝槽,這一溝槽常稱為熱蝕溝,假定自由外表的外表能為晶界能的三倍,且晶界與外表垂直,試在圖上畫出各項(xiàng)界面能之間的平衡狀況,并計(jì)算熱蝕溝底部的二面角。在如圖4-56所示的Cu晶界上有一雙球冠形其次相、Cu晶粒工R,Cu的大角度晶界能為0.5J· m-”,丫一一薈一一月一湯一一丫(l〕分別計(jì)算當(dāng)“一‘0,)=400,)=60’時Cu與其次相之間/C晶癡一\的相界能。 (2〕爭論晶界上其次相形態(tài)與相界能及晶界能之間的關(guān)圖4-56系。外表為什么具有吸附效應(yīng)?物理吸附及化學(xué)吸附各起源于什么?試舉誕生活中的例子說明吸附現(xiàn)象的實(shí)際意義。20。從熱力學(xué)角度解釋潤濕現(xiàn)象的本質(zhì)。第五章溶體固溶度的因素有哪些?影響固溶體的無序、有序和偏聚的主要因素是什么?3.〔1〕間隙化合物與間隙固溶體有何根本區(qū)分?以下中間相各屬什么類型?指出其構(gòu)造特點(diǎn)及主要掌握因素:MnS,Fe3C,Mg2Si,SiC,Cu31Zn8,Fe,N,WC,Cr23C6陶瓷材料中的固溶方式與金屬相比有何不同?影響陶瓷材料中離子代換或固溶度的因素有哪些?鉍(熔點(diǎn)為271.5℃)和銻(630.7℃)在液態(tài)和固態(tài)時均能彼此無限互溶,w=50%的合金在520℃時開頭結(jié)晶Bi出成分為wSb=87%的固相。wBi=80%的合金在400℃時開頭結(jié)晶出成分為wSb=64%的固相。依據(jù)上述條件,(1)繪出Bi-Sb相圖,并標(biāo)出各線和各相區(qū)的名稱。(2〕從相圖上確定含銻量為wSb=40%合金的開頭結(jié)晶和結(jié)晶終了溫度,并求出它在400℃時的平衡相成分及相對量。L630.7520484400332271.5
L+αα解:(1)Bi-Sb相圖
Bi 20 40 60 80 SbWSb〔%〕〔2〕含銻量為wSb=40484℃和結(jié)晶終了溫度約332℃wSb=40400℃時的平衡相成分為液相(20%銻)和鉍固溶體(64%銻)相對量由杠桿定律求出:40%20% 5w 45.5% 64%20% 11w 1wL
145.5%54.5%6A10070w=2550℃B凝固完畢,含73.33%初生α相,其余為共晶體(α+β)。含50%B的合金也在500℃凝固完畢,含40%初生α相,其余為共晶體(α+β),此合金中α相的總量占合金總量的50%,試畫出此A—B二元相圖(假定α相及β相的固溶度不隨溫度而轉(zhuǎn)變)。解:設(shè)共晶反響的三個成分點(diǎn)〔α、L、β〕含Bxyz則依據(jù)杠桿定律:73.3%
y25% 40%
y50%
z50%50%=yx yx zx聯(lián)立以上3x5y80z95%作圖如下:依據(jù)以下條件繪制A-B二元相圖。A-B二元相圖中存在一個液相區(qū)〔L〕和七個固相區(qū)〔(a,阝、Y,S,u,。、勻,其中。、(3,),S,pc是以純組元為基的固溶體,。和安是以化合物為基的固溶體〔中間相〕、。相中含B量小、勺、~于份相中的含BT,>T2>7”3>...>TnT-TAB的熔點(diǎn);T2,T7,Tiu為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度;T3為熔晶轉(zhuǎn)變溫度;TS為包晶溫度;T6為共晶轉(zhuǎn)變溫度;7”:為共析轉(zhuǎn)變溫度;T9,Tii為包析轉(zhuǎn)變溫度。(1)應(yīng)用相律時須考慮哪些限制條件?(2)試指出圖5-115中的錯誤之處,并用相律說明理由,且加以改正。解:〔1)〔熱量平衡〕;各相的壓力應(yīng)相等〔機(jī)械平衡〕;每一組元在各相中的化學(xué)位必需一樣〔化學(xué)平衡〕。指明組元或相的類型和含量。相律不能預(yù)報(bào)反響動力學(xué)〔速度。自由度的值不得小于零?!?〕主要錯誤如下:0,純組元相變,兩相平衡,f=0,溫度固定;二元合金最多只能三相平衡,不能四相平f=0d.二元合金最多三相平衡時自由度為零,溫度不變,三相平衡線為水平線w分析wC
=0.2%的鐵一碳合金從液態(tài)平衡室溫下的相組成物及組織組成物的相對量。
w計(jì)算wC
=3%C的鐵-碳合金室溫下萊氏體的相對量;組織中珠光體的相對量;組織中共析滲碳體的相對量。解:萊氏體的相對量:
3.02.11100%40.6%4.32.11組織中珠光體的相對含量:
6.692.11100%46%P 4.32.11 6.690.77組織中共析滲碳體的相對含量:FeC3共析
46%0.770.0218100%5.2%6.690.02183利用Fe-FeC相圖說明鐵一碳合金的成分、組織和性能之間的關(guān)系。3試比較勻晶型三元相圖的變溫截面與二元勻晶相圖的異同。圖5-116中為某三元合金系在T,.T2溫度下的等溫截面。假設(shè)7”,>T2,此合金系中存在哪種三相平衡反響?利用所給出的Fe-Cr-Cwc.=17%的變溫截面?!病碧顚憟D5-117上空白相區(qū)。(2〕么方法?是什么反響?(3〕分析we=1.2寫的合金平衡凝固過程。8.〔1〕應(yīng)用相律時必需考慮哪些限制條件?〔2〕利用相圖w10.含wC
=3%C的鐵-碳合金室溫下萊氏體的相對量;組織中珠光體的相對含量;組織中共晶滲碳體的相對含量。第六章簡述二元合金平衡凝固的特點(diǎn)答:二元合金平衡凝固的特點(diǎn):1、液相中溶質(zhì)原子通過遷移〔對流+集中〕而分均勻,固相中溶質(zhì)原子通過集中也分布均勻;2狀態(tài);3、結(jié)晶后晶粒內(nèi)成分均勻,無宏觀偏析及微觀偏析。液體金屬在凝固時必需過冷,而在加熱使其熔化卻毋需過熱,即一旦加熱到熔點(diǎn)就馬上熔化,為什么?今給出一組典型數(shù)據(jù)作參考:以金為例,其γ
=0.132,γ=1.128,γ=1.400分別為液-固、液-氣、固-氣相的界面能〔單位J/m2)。SL LV SV解:液體金屬在凝固時必需抑制外表能,形核時自由能變化大于零,故需要過冷。固態(tài)金屬熔化時,液相假設(shè)與氣相接觸,當(dāng)有少量液體金屬在固相外表形成時,就會很快掩蓋在整個外表(由于液體金屬總是潤濕同一種固體金屬)。由于熔化時,?GV=0,所以?G=?GV+?G(外表)=?G(外表),由于液體金屬總是潤濕同一種固體金屬,即外表能變化打算過程能否自發(fā)進(jìn)展,而試驗(yàn)指出:γ=1.4>γ+γ=0.132+1.128=1.260,說明在熔化時,外表自由能的變化?G(外表)<0。即不存在表SV LV SL面能障礙,也就不必過熱。A式〔6-13)為形核率計(jì)算的一般表達(dá)式。對金屬,由于形核的激活能〔書中用△GA
符號〕與臨界晶核形成功〔△Gk G*或△G*〕N
Cexp 均 0 kT 試計(jì)算液體Cu在過冷度為180K,200K和220K時的均勻形核率。并將計(jì)算結(jié)果與圖6-4b比較?!睱m=1.88×109J·m-3,Tm=1356K,γSL=0.177J·m-2C0=6×1028原子·m-3,k=1.38×10-23J·k)解:LT
163T2G m
G*
SL
SL SLmV T m
3(G)2V
LT3(m
16
T mm163.140.177313562180K: G*
SL m 1.49111018均 m
3(1.88109)21802 G*
1.49111018N Cexp 61028exp(
)7.501012均 0 kT
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SL m 1.20781018均 3(1.88109)22023m G*
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SLm
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)13.36均 0
kT
1.381023(1356220)與圖6-4b相比,結(jié)果吻合,說明只有過冷度到達(dá)肯定程度,使凝固溫度接近有效成核溫度時,形核率才會急劇增加。試對圖6-9所示三種類型材料的生長速率賜予定性解釋。本章在爭論固溶體合金凝固時,引用了平衡安排系數(shù)和局部平衡的概念,并說明白實(shí)際合金的凝固處在圖6-16中曲線2和曲線3這兩個極端狀況之間。為了爭論實(shí)際合金的凝固,有人提出有效安排系數(shù)ke,k。定義為k,=(CS),/(CL)B,即界面上的固相體積濃度〔Cs);;與液相的整體平均成分〔CI-)。之比。試說明由于液相混合均勻程度的不同,kk。與1之間變化。較慢凝固時k,-ko,快速凝固時k,-1,畫出ke=ko,k,=1和ko<ke<1這三種溶質(zhì)分布曲線的示意圖。6-45所示。今將含WB40%的合金置于長度為I,的長瓷舟中并保持為液態(tài),并從一端緩慢地凝固。溫度梯度大到足以使液一固界面保持平直,同時液相成分能完全均勻混合。試問這個合金的k。和k。是多少?該試樣在何位置〔以端部距離計(jì)〕消滅共晶體?畫出此時的溶質(zhì)分布曲線。假設(shè)為完全平衡凝固,試樣共晶體的百分?jǐn)?shù)是多少?4〕如合金成分為含wu5,問2),3〕的答案如何?5)假設(shè)用含wa5%的合金作成一個大鑄件,如將鑄件剖開,問有無可能觀看到共晶體?elooo,也澆成長棒自一端緩慢凝固,其溶質(zhì)分布為XS=koxo(1-f)”“一‘〔等同于式〔6-28)),式中f為凝固的長度百分?jǐn)?shù),Xs,x。為摩爾分?jǐn)?shù)。證明當(dāng)凝固百分?jǐn)?shù)為f時,固相的平均成分為在凝固過程中,由于液相中的溶質(zhì)含量增高會降低合金的凝固溫度,證明液相的凝固溫度T(與已凝固試樣的分?jǐn)?shù)f之間的關(guān)系為式中,T、為純?nèi)軇┙M元A的熔點(diǎn),m,為液相線的斜率。3〕在圖上畫出凝固溫度為7500C,7000C,6000C,5000C時的固相平均成分二So參考6-46〕Cu-Sn〔圖5-44),試比照Cu-30Zn和Cu-IOSn合金在做鑄件時:哪種合金的疏松傾向較嚴(yán)峻?哪種合金含有其次相的可能性大?哪種合金的反偏析傾向大?說明成分過冷在理論上和實(shí)際生產(chǎn)中的意義。說明雜質(zhì)對共晶生長的影響。比較一般鑄造、連續(xù)鑄造和熔化焊這三種凝固過程及其組織。第七章870℃而不是在927℃下進(jìn)展,由于在較低的溫度下簡潔保證獲得細(xì)晶粒。試問在870℃下滲碳要多少時間才能得到相當(dāng)于在927℃下10h的滲層深度?〔在γ-Fe7-4)解:Fickccs
(cs
c)erf(0
x )2 Dt在滲層深度一樣時,在該深度的碳濃度為肯定值,則x9
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