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2006 粉末冶金原理课程I考试题标准答案 一、名词解释：（ 20 分，每小题 2 分）
临界转速：机械研磨时，使球磨筒内小球沿筒壁运动能够正好经过顶点位置而不发生抛落时，筒体的转动速度 比表面积： 单位质量或单位体积粉末具有的表面积
一次颗粒： 由多个一次颗粒在没有冶金键合而结合成粉末颗粒称为二次颗粒；
离解压： 每种金属氧化物都有离解的趋势，而且随温度提高，氧离解的趋势越大，离解后的氧形成氧分压越大，离解压即是此氧分压。
电化当量： 这是表述电解过程输入电量与粉末产出的定量关系，表达为每 96500库仑应该有一克当量的物质经电解析出
气相迁移： 细小金属氧化物粉末颗粒由于较大的蒸气压，在高温经挥发进入气相，被还原后沉降在大颗粒上，导致颗粒长大的过程
颗粒密度： 真密度、似密度、相对密度
比形状因子： 将粉末颗粒面积因子与体积因子之比称为比形状因子 压坯密度： 压坯质量与压坯体积的比值
粒度分布： 将粉末样品分成若干粒径，并以这些粒径的粉末质量（颗粒数量、粉末体积）占粉末样品总质量（总颗粒数量、总粉末体积）的百分数对粒径作图，即为粒度分布 二、分析讨论 ： （ 25 分）
1 、粉末冶金技术有何重要优缺点，并举例说明。（ 10 分） 重要优点：
* 能够制备部分其他方法难以制备的材料，如难熔金属，假合金、多孔材料、特殊功能材料（硬质合金）； * 因为粉末冶金在成形过程采用与最终产品形状非常接近的模具，因此产品加工量少而节省材料；
* 对于一部分产品，尤其是形状特异的产品，采用模具生产易于且工件加工量少，制作成本低 , 如齿轮产品。
重要缺点：
* 由于粉末冶金产品中的孔隙难以消除，因此粉末冶金产品力学性能较相同铸造加工产品偏低； * 由于成形过程需要模具和相应压机，因此大型工件或产品难以制造； * 规模效益比较小
2 、气体雾化制粉过程可分解为几个区域，每个区域的特点是什么？（ 10 分） 气体雾化制粉过程可分解为金属液流紊流区，原始液滴形成区，有效雾化区和冷却区等四个区域。其特点如下： 金属液流紊流区：金属液流在雾化气体的回流作用下，金属流柱流动受到阻碍，破坏了层流状态，产生紊流； 原始液滴形成区：由于下端雾化气体的冲刷，对紊流金属液流产生牵张作用，金属流柱被拉断，形成带状 - 管状原始液滴；
有效雾化区：音高速运动雾化气体携带大量动能对形成带状 - 管状原始液滴的冲击，使之破碎，成为微小金属液滴冷却区。此时，微小液滴离开有效雾化区，冷却，并由于表面张力作用逐渐球化。 3 、分析为什么要采用蓝钨作为还原制备钨粉的原料？（ 5 分） 采用蓝钨作为原料制备钨粉的主要优点是
* 可以获得粒度细小的一次颗粒，尽管二次颗粒较采用 WO3 作为原料制备的钨粉二次颗粒要大。
* 采用蓝钨作为原料，蓝钨二次颗粒大，（一次颗粒小），在 H2 中挥发少，通过气相迁移长大的机会降低，获得 WO2 颗粒小；在一段还原获得 WO2 后，在干氢中高温进一步还原，颗粒长大不明显，且产量高。 三、分析计算：（ 30 分，每小题 10 分）
1 、 机械研磨制备铁粉时，将初始粒度为 200 微米的粉末研磨至 100 微米需要 5个小时，问进一步将粉末粒度减少至 50 微米，需要多少小时？ 提示 W=g（ Dfa-Dia ）， a=-2 解：根据已知条件
W1= g （ Df a -Di a ） =9.8 （ 100-2-200-2 ） , 初始研磨所做的功 W2 =g （ Df a -Di a ） =9.8 （ 50-2-100-2 ）进一步研磨所做的功 W1/W2=t1/t2, t2=t1(W2/ W1)= 20 小时
2 、 在低压气体雾化制材时，直径 1mm 的颗粒，需要行走 10 米和花去 4 秒钟进行固化，那么在同样条件下， 100 μ m 粒度颗粒需要多长时间固化：计算时需要作何种假设。
解：固化时间： t = D ρ m {Cpln(Tm-To/Ts-To) + Δ H/Ts-To}/6 β ，简化成 t = K D 并令 K= ρ m {Cpln(Tm-To/Ts-To) + Δ H/Ts-To}/6 β ,假设重力的作用很小时 , 有4/X=1000K/100K X=0.4 秒 S=1 米 3 、 相同外径球型镍粉末沉降分析，设一种为直径 100 微米实心颗粒，一种为有内径为 60 的空心粉末，求他们的在水中的沉降时间（沉降速度）， D 理 =8.1.
解： v=h/t=gd 2 ( ρ 1 - ρ 2 )/(18 η ) ；h/t=gd 2 ( ρ 1 - ρ 2 )/(18 η ) ；t=h/gd 2 ( ρ 1 - ρ 2 )/(18 η ) ；求得 t1 （实心） =31 秒， t2=23 秒 四、问答： （ 25 分）
1 、分析粉末粒度、粒度分布、粉末形貌与松装密度之间的关系。（ 10 分）
松装密度是粉末的一个重要物理性能，也是粉末冶金过程中的重要工艺参数，粉末粒度粉末形状对松装密度影响显著： * 粉末越细松装密度越小 * 粉末形状越复杂松装密度越小
* 粉末质量（粉末颗粒中孔隙因素）越小、松装密度越小
* 在部分教大直径的粉末中加入少量较小粒径的粉末，构成一定粒度分布 , 有利于提高松装密度
2 、熔体粘度，扩散速率，形核速率，以及固相长大速率都与过冷度相关，它们各自对雾化粉末显微结构的作用如何？（ 15 分）提示： I = Io D 2 exp(-Q L /kT)exp{-W M /(T Δ T 2 )}
1 ） 形核率是过冷度的函数，在一定过冷度内（形核控制区内），过冷度越大第二个指数项越大，形核速率增加；形核速率 I 与过冷度 Δ T 之间的关系如下，过冷度与形核速率为负指数关系， I = Io D 2 exp(-Q L /kT)exp{-W M /(T Δ T 2 )}
过冷度太大（扩散控制区内），原子排列时间不够，形核率降低
2 ）将上式变形I/D 2 = Io exp(-Q L /kT)exp{-W M /(T Δ T 2 )}，晶粒直径与过冷度成正指数关系，增加过冷度，晶粒尺寸越小
3 ）通常地，过冷度越大，原子扩散速度越小，晶粒尺寸越小
4 ）通常地，温度越高，熔体黏度越小，过冷度大，溶体黏度变化梯度大，表面张力作用时间短，颗粒多呈不规则形状。
2005年粉末冶金原理课程试题答案 一、名词解释：
粉末加工硬化，二流雾化，假合金，二次颗粒，保护气氛 （ 10 分）
金属粉末在研磨过程中由于晶格畸变和位错密度增加，导致粉末硬度增加，变形困难的现象称为加工硬化； 由雾化介质流体与金属液流构成的雾化体系称为二流雾化； 不是根据相图规律构成的合金体系，假合金实际是混合物；
由多个一次颗粒在没有冶金键合而结合成粉末颗粒称为二次颗粒；
为防止粉末或压坯在高温处理过程发生氧化而向体系因入还原性气体或真空条件称为保护气氛； 松装密度，成形性，粉末粒度，粉末流动性，粉末比表面积， （ 10 分） 粉末自由充满规定的容积内所具有的粉末重量成为松装密度 粉末在经模压之后保持形状的能力
一定质量（一定体积）或一定数量的粉末的平均颗粒尺寸成为粉末粒度
一克质量或一定体积的粉末所具有的表面积与其质量或体积的比值称为比表面积 50 克粉末流经标准漏斗所需要的时间称为粉末比表面积。 二、分析讨论 ：
1 、与传统加工方法比较，粉末冶金技术有何重要优缺点，试举例说明。（ 20 分）
解 :优点：材料利用率高，加工成本较低，节省劳动率，可以获得具有特殊性能的材料或产品， 缺点：由于产品中孔隙存在，与传统加工方法相比，材料性能较差 例子：铜 — 钨假合金制造，这是用传统方法不能获得的材料； 2 、气体雾化制粉过程中，有哪些因素控制粉末粒度？（ 10 分）
解 :二流之间的夹角，夹角越大，雾化介质对金属流柱的冲击作用越强，得到的粉末越细； 采用液体雾化介质时，由于质量大于气体雾化介质，携带的能量大，得到的粉末越细； 金属流柱直径小，获得粉末粒度小；
金属温度越高，金属熔体黏度小，易于破碎，所得粉末细小；
3 、分析粉末粒度、粉末形貌与松装密度之间的关系。（ 10 分）
解 :粉末平均粒度越小，粉末形貌越复杂，粉末颗粒之间以及粉末表面留下空隙越大，松装密度越小； 粉末平均粒度越小，粉末形貌越复杂，粉末颗粒之间的运动摩擦阻力越大，流动性越差，松装密度越小。 三、分析计算：
1 、 经氢气还原氧化铁制备还原铁粉： FeO+H 2 =Fe+H 2 O ；平衡常数： LgKp=-1000/T+0.5, Kp=P H2O /P H2 ，讨论还原温度分别为 500 o C ， 600 o C ， 700 o C 时，平衡常数变化趋势和温度对还原的影响。（ 15 分）
解 : T= 773 LgKp=-1000/773+0.5=-0.8, Kp=PH 2 O/PH 2 = T =873 LgKp=-1000/873+0.5=-0.65, Kp=PH 2 O/PH 2 = T =973 LgKp=-1000/973+0.5=-0.53, Kp=PH 2 O/PH 2 =
计算表明 , 温度月高 , 平衡常数值越大 ( 正 ), 说明随还原温度提高 , 气氛中的 H2O 比例可越大 , 氢气中水蒸气含量提高 , 提高温度有利于还原进行。
2 、 若用镍离子浓度为 24 克 / 每升（ g/L ）的硝酸镍溶液作为电解液制取镍粉时，至少需要多大的电流密度才能够获得松散粉末？（ 15 分）假设 K=0.80
解 :镍离子浓度为 24 克 / 每升（ g/L ）时等于 24/58.71=0.41mol/L, 既c=0.41mol/L, 并已知 K=0.80 由 i=Kc, I=0.80 x 0.41=0.33 A/cm2 =33A/dm2至少需要电流密度等于 33A/dm2 才能够获得松散粉末 . 四、 讨论题：
1 、用比表面吸附方法测试粉末粒度的基本原理是什么？（ 10 分 ）
解 :粉末由于总表面积大，表面原子力场不平衡，对气体具有吸附作用，在液氮温区，物质对气体的吸附主要为物理性质的吸附（无化学反应），经数学处理，若知道吸附的总的气体体积，换算成气体的分子数，在除以一个气体分子的体积，即获得粉末的表面积，通常采用一克粉末进行测量，因此我们将一克质量粉末所具有的表面积定义为比表面积，当我们知道了总表面积数值后，可以假设粉末为球形，然后根据球当量直径与表面积的关系（形状因子），获得粉末平均粒径。为了尽量获得准确的测量数据，被吸附的气体通常是惰性气体。这样一种由测量一定质量粉末总表面积，然后计算粉末平均粒度的方法，就是通过测试粉末比表面积，计算粉末粒度的基本原理。
粉末冶金原理课程综合试题（ 04 年） 一、名词解释：
临界转速，孔隙度，比表面积，松装密度，标准筛 （ 10 分） 临界转速：机械研磨时，使球磨筒内小球沿筒壁运动能够正好经过顶点位置而不发生抛落时，筒体的转动速度； 孔隙度：粉体或压坯中孔隙体积与粉体体积或压坯体积之比； 比表面积：单位质量或单位体积粉末具有的表面积
松装密度：粉末自由充满规定的容积内所具有的粉末重量成为松装密度
标准筛：用筛分析法测量粉末粒度时采用的一套按一定模数（根号 2 ）金属网筛 弹性后效，单轴压制，密度等高线，压缩性，合批： （ 10 分）
弹性后效：粉末经模压推出模腔后，由于压坯内应力驰豫，压坯尺寸增大的现象称作 单轴压制：在模压时，包括单向压制和双向压制，压力存在压制各向异性
密度等高线：粉末压坯中具有相同密度的空间连线称为等高线，等高线将压坯分成具有不同密度的区域 压缩性：粉末在模具中被压缩的能力称为压缩性
合批：具有相同化学成分，不同批次生产过程得到的粉末的混合工序称为合批 二、分析讨论：
1 、分析粉末冶金过程中是哪一个阶段提高材料利用率，为什么？试举例说明。（ 10 分）
解；粉末冶金过程中是由模具压制成形过程提高材料利用率，因为模具设计接近最终产品的尺寸，因此压坯往往与使用产品的尺寸很接近，材料加工量少，利用率高；例如，生产汽车齿轮时，如用机械方法制造，工序长，材料加工量大，而粉末冶金成形过程可利用模具成形粉末获得接近最终产品的形状与尺寸，与机械加工方法比较，加工量很小，节省了大量材料。
2 、气体雾化制粉过程可分解为几个区域，每个区域的特点是什么？（ 10 分）
解：气体雾化制粉过程可分解为金属液流紊流区，原始液滴形成区，有效雾化区和冷却区等四个区域。其特点如下：金属液流紊流区：金属液流在雾化气体的回流作用下，金属流柱流动受到阻碍，破坏了层流状态，产生
紊流；
原始液滴形成区：由于下端雾化气体的冲刷，对紊流金属液流产生牵张作用，金属流柱被拉断，形成带状 - 管状原始液滴；
有效雾化区：音高速运动雾化气体携带大量动能对形成带状 - 管状原始液滴的冲击，使之破碎，成为微小金属液滴；
冷却区。此时，微小液滴离开有效雾化区，冷却，并由于表面张力作用逐渐球化。
3 、分别分析单轴压制和等静压制的差别及应力特点，并比较热压与热等静压的差别。（ 10 分）
解：单轴压制和等静压制的差别在于粉体的受力状态不同，一般单轴压制在刚模中完成，等静压制则在软模中进行；在单轴压制时，由于只是在单轴方向施加外力，模壁侧压力小于压制方向受力，因此应力状态各向异性，σ 1 》σ 2= σ 3 导致压坯中各处密度分布不均匀；等静压制时由于应力均匀来自各个方向，且通过水静压力进行，各方向压力大小相等，粉体中各处应力分布均匀，σ 1= σ 2= σ 3 因此压坯中各处的密度基本一致。
4 、分析还原制备钨粉的原理和钨粉颗粒长大的因素。（ 10 分）
解：钨粉由氢气还原氧化钨粉的过程制得，还原过程中氧化物自高价向低价转变，最后还原成钨粉， WO3—WO2 — W ；其中还有 WO2 。 90—WO2 。 72 等氧化物形式。由于当温度高于 550 度时，氢气即可还原 WO3 ，由于当温度高于 700 度时，氢气即可还原 WO2 。因为在这种条件下水分子的氧离解压小于 WO3 ， WO2 离解压，水分子相对稳定， WO3 ， WO2 被还原，同时由于温度的作用，疏松粉末中还原产物容易经扩散排走，还原动力学条件满足，导致氧化钨被氢气还原；由于 WO3 ，和 WO2 在含有水分子的氢气中具有较大的挥发压，而且还原温度越高，挥发压越大，进入气相中的氧化钨被还原后，沉降在以还原的钨粉颗粒上导致钨粉颗粒长大。粉末在高温区停留的时间长也会因原子迁移致使钨粉颗粒长大。氢气湿度大，导致 WO3 和 WO2 细颗粒进入气相，也是导致钨粉颗粒长大的重要因素。 三、分析计算：
1 、一压坯高度是直径的三倍，压力自上而下单向压制，在压坯三分之二高度处压力只有压坯顶部压力的四分之三，求压制压力为 500Mpa 时，压坯三分之一高度和压坯低部的压制压力？（ 10 分） 解：根据已知条件，在 h=2/3H 时， P2=3/4P1 ，计算得 EXP （ -Q1 ） =3/4 ；h=1/3H 时， P3=P1EXP （ -Q2 ） =281 。 25Mpa ，在压坯底部压制压力 P=210 。 94MPa
2 、 若用镍离子浓度为 12 克 / 每摩尔（ g/mol ）的硝酸镍做电解液制取镍粉时，至少需要多大的电流密度才能够获得松散粉末？（ 10 分）
解：镍离子浓度为 12 克 / 每升（ g/L ）时等于 12/58.71=0.205mol/L, 既c=0.2051mol/L, 并已知 K=0.80 由 i=Kc, I=0.80 x 0.2051=0.164 A/cm2=16 。 4A/dm2至少需要电流密度等于 16 。 4A/dm2 才能够获得松散粉末 . 四、问答 ：
1 、什么是假合金 ， 怎样才能获得假合金 ？（ 10 分 ）
解：两种或两种以上金属元素因不经形成固溶体或化合物构成合金体系通称为假合金，是一种混合物；
假合金形成的条件是形成混合物之后两种物质之间的界面能，小于他们单独存在时的表面能之和，即 γ AB < γ A+ γ B
2 、氧化铁氢还原方法制备还原铁粉： FeO+H 2 =Fe+H 2 O ；平衡常数： LgKp=-1000/T+0.5, Kp=P H2O /P H2 讨论还原温度分别为 500 o C ， 600 o C ， 700 o C 时，平衡常数变化趋势和温度对还原的影响。（ 10 分） 解： T= 773 LgKp=-1000/773+0.5=-0.8, Kp=PH 2 O/PH 2 = T =873 LgKp=-1000/873+0.5=-0.65, Kp=PH 2 O/PH 2 = T =973 LgKp=-1000/973+0.5=-0.53, Kp=PH 2 O/PH 2 =
计算表明 , 温度月高 , 平衡常数值越大 ( 正 ), 说明随还原温度提高 , 气氛中的 H2O 比例可越大 , 氢气中水蒸气含量提高 , 提高温度有利于还原进行。 粉末冶金原理课程综合试题 答案 一、名词解释：
临界转速，雾化介质，活化能，平衡常数，电化当量，筛 （ 10 分） 临界转速：机械研磨时，使球磨筒内小球沿筒壁运动能够正好经过顶点位置而不发生抛落时，筒体的转动速度； 雾化介质：雾化制粉时，用来冲吉破碎金属流柱的高压液体或高压气体称为雾化介质；
活化能：发生物理或化学反应时，形成中间络合物所需要的能量称为活化能
平衡常数：在某一温度，某一压力下，反应达到平衡时，生成物气体分压与反应物气体分压之比称为平衡常数； 电化当量：克当量与法拉第常数之比称为电化当量 孔隙度，比表面积，松装密度，标准，粒度分布
孔隙度：粉体或压坯中孔隙体积与粉体体积或压坯体积之比； 比表面积：单位质量或单位体积粉末具有的表面积
松装密度：粉末自由充满规定的容积内所具有的粉末重量成为松装密度
标准筛：用筛分析法测量粉末粒度时采用的一套按一定模数（根号 2 ）金属网筛
粒度分布：一定体积或一定重量（一定数量）粉末中各种粒径粉末体积（重量、数量）占粉末总量的百分数的表达称为粒度分布。 二、分析讨论：
1 、气体雾化制粉过程可分解为几个区域，每个区域的特点是什么？（ 10 分）
解：气体雾化制粉过程可分解为金属液流紊流区，原始液滴形成区，有效雾化区和冷却区等四个区域。其特点如下：金属液流紊流区：金属液流在雾化气体的回流作用下，金属流柱流动受到阻碍，破坏了层流状态，产生紊流；
原始液滴形成区：由于下端雾化气体的冲刷，对紊流金属液流产生牵张作用，金属流柱被拉断，形成带状 - 管状原始液滴；
有效雾化区：音高速运动雾化气体携带大量动能对形成带状 - 管状原始液滴的冲击，使之破碎，成为微小金属液滴；
冷却区。此时，微小液滴离开有效雾化区，冷却，并由于表面张力作用逐渐球化。
2 、碳直接还原氧化铁制备铁粉时热力学条件如图所示，说明图中各条曲线的含义，表明各相稳定存在区域并讨论氧化亚铁还原成铁粉的条件。（ 10 分）
解： b 曲线： Fe3O4 被还原成 FeO 的反应平衡曲线； c 曲线： FeO 被还原成 Fe 的反应平衡曲线； d 曲线： Fe3O4 被还原成 Fe 的反应平衡曲线。 与 b 、 c 相交的曲线为碳氧化反应的平衡曲线
在 do ， oc 线以上 Fe 稳定存在； do ， ob 线以下部分 Fe3O4 稳定存在，在 ob 、 oc 线之间 FeO 稳定存在；只有当温度高于碳的氧化反应平衡曲线与 FeO 被还原成 Fe 的反应平衡曲线的焦点温度时，气相中的 CO 百分含量（浓度）才能使 FeO 被还原成 Fe ；即温度高于 680 o C，CO的百分含量超过61%。 3 、分析还原制备钨粉的原理和钨粉颗粒长大的因素。（ 20 分）
解：钨粉由氢气还原氧化钨粉的过程制得，还原过程中氧化物自高价向低价转变，最后还原成钨粉， WO3—WO2 — W ；其中还有 WO2 。 90—WO2 。 72 等氧化物形式。由于当温度高于 550 度时，氢气即可还原 WO3 ，由于当温度高于 700 度时，氢气即可还原 WO2 。因为在这种条件下水分子的氧离解压小于 WO3 ， WO2 离解压，水分子相对稳定， WO3 ， WO2 被还原，同时由于温度的作用，疏松粉末中还原产物容易经扩散排走，还原动力学条件满足，导致氧化钨被氢气还原；由于 WO3 ，和 WO2 在含有水分子的氢气中具有较大的挥发压，而且还原温度越高，挥发压越大，进入气相中的氧化钨被还原后，沉降在以还原的钨粉颗粒上导致钨粉颗粒长大。粉末在高温区停留的时间长也会因原子迁移致使钨粉颗粒长大。氢气湿度大，导致 WO3 和 WO2 细颗粒进入气相，也是导致钨粉颗粒长大的重要因素。 三、分析计算：
1 、 机械研磨制备铁粉时，将初始粒度为 300 微米的粉末研磨至 110 微米需要 8 个小时，问进一步将粉末粒度减少至 75 微米，需要多少小时？（ 10 分） 提示 W=g （ D f a -D i a ）， a=-2 解：根据已知条件
W1= g （ Df a -Di a ） =9.8 （ 110-2-300-2 ） , 初始研磨所做的功 W2 =g （ Df a -Di a ） =9.8 （ 75-2-110-2 ）进一步研磨所做的功 W1/W2=t1/t2, t2=t1(W2/ W1)=11 小时
2 、 若用镍离子浓度为 12 克 / 每摩尔（ g/mol ）的硝酸镍做电解液制取镍粉时，至少需要多大的电流密度才能够获得松散粉末？假设 a=1 （ 10 分）
解：镍离子浓度为 12 克 / 每升（ g/L ）时等于 12/58.71=0.2051mol/L, 既c=0.2051mol/L, 并已知 a=1