铁碳生长在蹄上

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Highly porous Fe 3O 4e Fe nanowires grown on C/TiC nano ?ber arrays as the high performance anode of lithium-ion batteries

Kui Cheng,Fan Yang,Ke Ye,Ying Zhang,Xue Jiang,Jinling Yin,Guiling Wang,Dianxue Cao *

Key Laboratory of Superlight Material and Surface Technology of Ministry of Education,College of Material Science and Chemical Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China

h i g h l i g h t s

g r a p h i c a l a b s t r a c t

Fe 3O 4e Fe nanowires with a large amount of nanoholes directly grown on highly conductive nano ?ber ar-rays are prepared.

The electrode displayed remarkably high capacity,excellent high rate performance and cycling stability. The electrode has a satisfactory cycling performance with capacity retention of 93.9%after 100cycles at

1C.

a r t i c l e i n f o

Article history:

Received 21November 2013Received in revised form 19January 2014

Accepted 10February 2014

Available online 18February 2014Keywords:

Iron oxide e Iron nanowires Anode

Lithium-ion batteries High rate performance

a b s t r a c t

A facile and green method is developed to fabricate Fe 3O 4e Fe nanowires with a large amount of nanoholes directly grown on highly conductive nano ?ber arrays.By electrodeposition of Fe clusters on C/TiC nano ?ber array,followed by in-situ chemical conversion of Fe to FeC 2O 4e Fe nanowires and the thermal decomposition of FeC 2O 4e Fe to Fe 3O 4e Fe,a Fe 3O 4e Fe nanocomposite electrode with unique architecture is successfully prepared.The electrode is characterized by means of X-ray diffractometer,scanning electron microscope and transmission electron microscope.Electrochemical properties of the nanowire arrays electrode as the anode of lithium-ion batteries are examined by cyclic voltammetry and galvanostatic charge/discharge test.The electrode displayed remarkably high capacity,excellent high rate performance and superior cycling stability.The reversible capacity of the electrode reached 1012mAh g à1

at 1C and retained to be 500and 255mAh g à1at 10and 20C,respectively.It can still deliver a speci ?c capacity of 100mAh g à1even at 50C (72s charge e discharge).The electrode also has a satisfactory cycling performance with capacity retention of 93.9%after 100cycles at 1C.The magni ?cent performance can be attributed to the distinct con ?guration resulting from the novel fabrication process.

ó2014Elsevier B.V.All rights reserved.

1.Introduction

To overcome the ever worsening energy and global warming issues,chemical power sources with high-speci ?c energy and high-power density are urgently needed for electric vehicles and wind

and solar energy storages.Lithium-ion batteries (LIBs)have demonstrated wide applications as electrical car power sources and large-scale green energy storage devices [1e 5].Current LIBs use graphite carbons as the anode materials,which suffer the draw-backs of limited speci ?c capacity (w 372mAh g à1)and cycling life.Therefore,new anode materials for LIBs with high capacity,long cycling lifetime and high safety are urgently demanded.Signi ?cant achievements have been gained in the research of alternative anode materials with high capacity,such as Si,intermetallic alloys

*Corresponding author.Tel./fax:t8645182589036.E-mail address:caodianxue@https://www.360docs.net/doc/f3161470.html, (D.

Cao).Contents lists available at ScienceDirect

Journal of Power Sources

journal ho mep age:www.elsevi https://www.360docs.net/doc/f3161470.html,/locate/jpo

wsour

https://www.360docs.net/doc/f3161470.html,/10.1016/j.jpowsour.2014.02.0380378-7753/ó2014Elsevier B.V.All rights reserved.

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and transition metal oxides[6e14].Recent studies show that naturally abundant,low cost,nontoxic magnetite(Fe3O4)displays signi?cant promise as the anode of LIBs owing to its high capacity (924mAh gà1),nontoxicity,high corrosion resistance,high elec-tronic conductivity(2?104S mà1)and high tap density (5.17g cmà3)[14e17].However,the charge e discharge reaction of Fe3O4(Eq.(1))is usually accompanied by a large volume change leading to particle pulverization.As a result,the electrical connection of anode materials with current collectors can be damaged and the electrode integrity cannot be well maintained during cycling,thereby resulting in poor cycling stability[14,18e 20].Two approaches have been developed to solve this problem: synthesis of nanostructured Fe3O4[21,22]and the preparation of Fe3O4/C composites[11,14,20,23,24].

Fe3O4t8Litt8eà43Fet4Li2O(1) The convectional LIBs electrode is fabricated by mixing active materials with conducting carbons and polymer binders to form a paste,which was smeared onto metal foil current collectors and pressed to thin?lm after evaporating solvents.This type of electrodes has a denser structure which is problematic for metal oxides anode materials having severe volume changes during lithium ion inser-tion/extraction because it possesses no suf?cient buffering space to accommodate the electrode material expansion.The electrolyte diffusion within the electrode is also hindered.Recently,self-supported nanowire arrays directly grown on a current-collecting substrate represent an attractive architecture for Li ion battery elec-trode.The open space between neighboring nanowires can release strains caused by volume change and allow for easy diffusion of electrolyte into the inner region of the electrode,leading to improved cycling stability and high-power performance.Each nanowire has its own contact with the substrate at the bottom.This can ensure every nanowire to participate in the electrochemical reaction.

Herein,we reported an approach to prepare high performance Fe3O4anode.Our strategy is to combine the bene?ts of the current collector supported array architecture,the nanostructure and the porous structure together.By a facile template-free method,porous Fe3O4e Fe nanowires were grown onto the core e shell C/TiC nano-?bers,which form an array on Ti alloy foil current collector(Fe3O4e

Fe@C/TiC).To the best of our knowledge,this unique structured Fe3O4anode for LIBs has not been reported.Electrochemical mea-surements revealed that the Fe3O4e Fe@C/TiC nanowire array electrode exhibited a remarkably high-speci?c capacity and excellent cycle performance.

2.Experimental

2.1.Preparation of the shell/core C/TiC nano?ber arrays

The array of core e shell C/TiC nano?ber was synthesized according to the literature[6].In brief,Ti6Al4V foil(10?10?1mm3,Advent, 99.5%)was degreased ultrasonically in acetone,ethanol and double-distilled water sequentially.The cleaned Ti6Al4V foil was loaded onto a ceramic boat and it was placed in the center of a quartz tube in a horizontal tube furnace.The tube was purged with ultrahigh purity Ar several times to remove oxygen and moisture before heating to850 C under Ar.Acetone was then introduced into the tube by bubbling with Ar at a?ow rate of150sccm.After1.5h reaction,the array of core e shell C/TiC nano?bers was formed on the Ti alloy surface.

2.2.Preparation of the Fe3O4e Fe@C/TiC electrode

Fe3O4e Fe nanowires were directly formed on the core e shell C/ TiC nano?bers via a facile deposition e immersion e calcination process.Fe particles were?rst electrodeposited onto the surface of C/TiC nano?bers.The deposition was performed using Autolab PGSTAT302potentiostat(Eco Chemie)in a standard three-electrode electrochemical cell equipped with a C/TiC nano?ber array working electrode,a platinum foil counter electrode and a saturated calomel reference electrode(SCE).The deposition solu-tion consists of71.7g Là1FeSO4$7H2O and70mL Là1triethanol-amine and the deposition was carried out at a constant current ofà10mA cmà2for10min.The obtained Fe@C/TiC was then immersed into0.3mol Là1oxalic acid ethanol solution with5%H2O (volume ratio with H2O of5:95)for3h at45 C without stirring, and then washed with ethanol and heated at400 C for120min in a Muf?e furnace to obtain the?nal Fe3O4e Fe@C/TiC electrode.The electrode morphology was characterized by a scanning electron microscope(SEM,JEOL JSM-6480)and a high-resolution trans-mission electron microscopy(JEOL JEM-2010F).The structure was analyzed using an X-ray diffractometer(XRD,Rigaku TTR III)with Cu K a radiation(l?0.1514178nm).

2.3.Electrochemical measurements

The electrochemical performance of the Fe3O4e Fe@C/TiC elec-trode was measured using CR2032coin-type half-cells.The Fe3O4e Fe@C/TiC was directly used as the working electrode(the mass of Fe3O4is0.8mg cmà2)without addition of binders or conducting carbon black.A Li foil was used as the reference and counter elec-trode.The cells were assembled in a glove box using Celgard2400?lm as the separator and1.0mol Là1LiPF6as the electrolyte,which was dissolved in a mixture of ethylene carbonate(EC),dimethyl carbonate(DMC)and ethylene methyl carbonate(EMC)with a volume ratio of EC:DMC:EMC to be1:1:1.Galvanostatic charge/ discharge tests were performed on a Land Battery Test System (model CT2001A,China)in the potential range of0.05e3.0V.The cyclic voltammetry(CV)was performed on an electrochemical work-station(VMP3/Z,Bio-Logic).

3.Results and discussion

Fig.1shows the fabrication process of Fe3O4e Fe@C/TiC elec-trode and the corresponding XRD patterns of the sample at different preparation stages.First,arrays of C/TiC nanowires were formed on Ti alloy surface,which was used as the substrate of Fe3O4 active material and the current collector of the electrode due to the high electronic conductivity and excellent stability of C,TiC and Ti alloy.This substrate makes the electrode have a3D nanowire array architecture.In the second step,Fe precursor was electrodeposited on the surface of each nanowire.Fe attached on the C/TiC nano-wires was then converted to FeC2O4with some Fe remaining in the junction of FeC2O4and C/TiC nanowires.Finally,FeC2O4was transformed to Fe3O4nanowire arrays via a calcination process in the air.The XRD pattern of C/TiC nano?ber arrays is consistent with that reported in the literature[6]and the diffraction peaks can be indexed to the cubic TiC and the alloy substrate.After Fe electro-deposition,the XRD pattern shows three peaks at44.6 ,65 and 82.3 ,which can be attributed to Fe according to the JCPDS card No. 65-4899.After immersion in the oxalic acid solution,several new peaks at18 ,22 ,24 ,43 ,50 ,54 were observed,which can be ascribed to FeC2O4(JCPDS card No.14-0807).Notably,the Fe peaks still exist but their strength decreased,indicating that Fe was not completely transformed to FeC2O4.The remaining Fe likely exists between FeC2O4and C/TiC nanowires because the formation of FeC2O4starts from the outer surface and expands to the bottom of Fe particles.However,the presence of some Fe particle within the FeC2O4nanowires cannot be excluded.After calcination,the peak corresponding to FeC2O4disappeared and six new diffraction peaks

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at 2q values of 30.1 ,35.4 ,37.1 ,43.1 ,57.0 ,and 62.6 were observed,which matched well with the (220),(311),(222),(400),(511)and (440)planes of the spinel Fe 3O 4(JCPDS ?les 65-3107;space group:F *3(227))having a cubic symmetry unit cell with lattice parameters a ?b ?c ?8.391,a ?b ?g ?90 .The peaks corresponding to Fe still exist.So,it can be concluded that FeC 2O 4was converted to Fe 3O 4by thermal treatment while Fe remains.Possible reactions associated with the transformation of Fe to Fe 3O 4are given below (Eqs.(2)and (3))[25,26]:

Fe tH 2C 2O 4t2H 2O /FeC 2O 4$2H 2O tH 2

(2)6FeC 2O 4$2H 2O t4O 2/2Fe 3O 4t12H 2O t12CO 2

(3)

Typical SEM and TEM images of C/TiC nano ?ber,Fe@C/TiC FeC 2O 4e Fe@C/TiC,and Fe 3O 4e Fe@C/TiC are shown in Fig.2.As seen from Fig.2(A),C/TiC nano ?bers were formed on the Ti alloy foil (Ti6Al4V)surfaces via a thermochemical reaction when exposed in acetone vapor at 850 C [6].The nano ?bers pointed out of the alloy surface and covered the entire surface of Ti alloy uniformly and densely.The diameters of the nano ?bers are of around 300nm and lengths are up to several micrometers.TEM images (Fig.2(B))clearly show that the C/TiC nano ?bers has a

core e shell structure.The diameter of TiC core is around 140nm and the thickness of C shell is around 100nm.Since TiC is an extremely hard material (Mohs hardness 9e 9.5)with very low resistivity (6.8?10à5U cm)[6],the core e shell C/TiC provided a stable scaffold with high surface area and high electrical conduc-tivity.Fig.2(C)and (D)demonstrated that the electrodeposited Fe formed clusters with diameters around 250nm and uniformly distributed on the entire surface of each C/TiC nano ?ber.Voids exist among Fe clusters,which provide rooms for the growth of FeC 2O 4when immersed in oxalic acid solution (Fig.S1(D)).Fig.2(E)and (G)shows the different-magni ?cation SEM images of the Fe 3O 4e Fe@C/TiC nanowire array electrode.Clearly,all the C/TiC nano ?bers were completely covered by Fe 3O 4nanowires,which aligned vertically from the C/TiC nano ?ber surface and have lengths up to around 1m m.Fe 3O 4e Fe@C/TiC electrode has a similar morphology with that the FeC 2O 4e Fe@C/TiC electrode (Fig.S1(D)),indicating that the nanowire morphology was formed during the reaction of Fe with oxalic acid (Eq.(1))and the structure was retained after calcinations.In order to determine the different growth stage of FeC 2O 4nanowires from Fe nanoparticles in oxalic acid solution,the SEM images of FeC 2O 4nanowires with the various immersing time of 1h,1.5h,2h and 3h were also dis-played in the Fig.S1.The TEM image of Fe 3O 4e Fe@C/TiC nanowire composites (Fig.2(F))indicated that Fe 3O 4nanowires wrapped on the C/TiC nano ?ber and have transparent feature.Fig.2(H)further shows that Fe 3O 4nanowires have diameters less than around 50nm.It is noteworthy that the Fe 3O 4nanowires have large amount of evenly distributed nanopores with diameters ranging from 2to 4nm.These nanopores likely result from the release of CO 2gas during the conversion of FeC 2O 4into Fe 3O 4(Eq.(3)).This special type highly porous nanowire architecture can greatly facilitate the diffusion of electrolyte within Fe 3O 4active material,and more importantly,these numerous nanoholes provide rooms for volume expansion caused by the charge reaction of lithium ion and Fe 3O 4(Eq.(1)),which could greatly avoid the damage of nanostructures and the occurrence of pulverization during the lithium insertion/extraction.

The excellent electrochemical performance of the Fe 3O 4e Fe@C/TiC electrode as the anode of LIB is evident from various electro-chemical measurements as shown in Fig.3.Fig.3(A)shows the ?rst four cyclic voltammograms (CV)of the Fe 3O 4e Fe@C/TiC electrode in the potential range of 0.05e 3.0V at a slow scan rate of 0.05mV s à1.In the initial negative-going scan (corresponding to lithiation),a weak peak at 1.0V (vs Li t/Li)and a strong peak at 0.55V are observed,which are in agreement with literatures [11,20,23].These two peaks are usually ascribed to the two lith-iation reactions of Fe 3O 4leading to the reduction of Fe 3tto Fe 2t(Eq.(4))and Fe 2tto Fe 0(Eq.(5)),as well as the side reactions occurred at the electrolyte/electrode interface resulting in the for-mation of SEI ?lm [23].The intensity of these two peaks decreased signi ?cantly in the second cycle,and the cathodic peaks ?nally stabilized at 0.69V and 1.34V after around 3cycles,indicating the end of irreversible reactions corresponding to the formation of SEI ?lm.The anodic peaks at 1.54and 2.12V can be attributed to the oxidation of Fe 0to Fe 2t/Fe 3taccompanying lithium ion extraction (delithiation).

Fe 3O 4t2Li tt2e à/Li 2eFe 3O 4T(4)Li 2eFe 3O 4Tt6Li tt6e à/3Fe t4Li 2O

(5)

Fig.3(B)shows the charge e discharge curves of the initial four cycles at a current rate of 1C between 0.05and 3.0V.The ?rst discharge curve shows an extended potential plateau at about 0.8V comparing to subsequent discharge curves,which is in

good

Fig.1.Schematic illustration of the fabrication process of the Fe 3O 4e Fe@C/TiC nano-wire arrays electrode (A e D)and the XRD pattern of core e shell C/TiC nano ?ber arrays grown on Ti6Al4V alloy surface,Fe@C/TiC,FeC 2O 4e Fe@C/TiC,and Fe 3O 4e Fe@C/TiC (E).

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agreement with literature results for Fe3O4[15,23].The initial discharge speci?c capacity of the Fe3O4e Fe reached as high as 1511mAh gà1,but,corresponding to an initial Coulombic ef?ciency of around85.8%,which is higher than that of carbon coated(or encapsulated)nanosized Fe3O4[11,20,23].The initial capacity loss is likely caused by the electrolyte decomposition and SEI formation,which are common to most anode materials.This discharge behavior is consistent with the CV results(Fig.2(A)),which shows a large cathodic peak in the?rst scan and it signi?cantly decreased in the subsequent cycles.The discharge capacities of the electrode in second and third cycles are1205and1063mAh gà1,respectively, and the fourth discharge curve overlaps with the third

cycle, Fig.3.Cyclic voltammograms of the Fe3O4e Fe@C/TiC electrode at a scan rate of0.05mV sà1(A).Charge e discharge curves of the Fe3O4e Fe@C/TiC electrode at1C(B).Rate capacity of the Fe3O4e Fe@C/TiC electrode in the potential range of0.05e3.0V(C).Cycling performance of the C/TiC nano?ber arrays substrate and the Fe3O4e Fe@C/TiC

(D).

Fig.2.SEM images of C/TiC nano?ber arrays(A),Fe@C/TiC array(C),and Fe3O4e Fe@C/TiC array(E,G).TEM images of C/TiC nanowire(B),Fe@C/TiC nanowire(D),Fe3O4e Fe@C/TiC nanowire composites(F),and Fe3O4nanowire(H).

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implying the SEI?lm formation and other side reactions are completed.

In addition to the high-speci?c capacity,the3D Fe3O4e Fe@C/TiC electrode also exhibited excellent high rate performance.Fig.3(C) shows the dependence of speci?c capacity and charge/discharge ef?ciency on the current rates.The electrode delivers a discharge capacity of1012mAh gà1after?rst repetitive charge e discharge at 1C for10times.The speci?c capacity retained to be860,667,500, 370,and255mAh gà1after further charge e discharge at2,5,10,15 and20C each for10times,respectively.Even at a high rate of50C (72s charge e discharge),the electrode can still deliver a speci?c capacity of100mAh gà1.After a total of80cycles at various rates, the charge e discharge rate was set back to its initial value of1C and the electrode was further cycled for10times,a speci?c capacity of 1034mAh gà1was achieved,which is around100%of that after the ?rst10cycles at1C.This result indicated that the Fe3O4e Fe@C/TiC

electrode has excellent high rate performance and is sustainable to high rate charge e discharge.Such properties are very important for LIBs to be charged quickly and to be able to generate high-power output also.The Coulombic ef?ciency in the?rst cycles at1C is 85.8%,and it increased to and maintained at around100%during the subsequent87cycles at different rates.The low ef?ciency in the initial three cycles might result from the SEI formation,as demonstrated by CV measurements(Fig.3(A)).

To further highlight the cycling stability,the Fe3O4e Fe@C/TiC electrode was subjected to charge e discharge at1C for100cycles (Fig.3(D)).As seen,a high capacity of921.3mAh gà1was retained after100cycles,which is about93.9%of the initial reversible ca-pacity(981mAh gà1)and close to the theoretical value.This ca-pacity retention is much better than that of commercial Fe3O4 nanoparticles and is comparable with carbon coated or encapsu-lated Fe3O4nanoparticle and Fe3O4/graphene composite [11,20,23,27].The Coulombic ef?ciency maintained at nearly100% during the entire cycling process except the?rst few cycles,sug-gesting a facile lithium insertion/extraction associated with ef?-cient transport of ions and electrons in the electrodes.In order to determine the stability of the C/TiC nano?ber arrays and eliminate the in?uence of the substrate(due to the C coating),we also examined the cycle performance of C/TiC nano?ber arrays elec-trode at the current density of0.46mA cmà2(Fig.3(D)).It can be seen that C/TiC nano?ber arrays electrode exhibits excellent cycling stability and also provides a certain amount of speci?c capacity (70mAh gà1),which is much smaller than that provided by the active material Fe3O4.

The excellent high rate capability and cycling stability of the Fe3O4e Fe@C/TiC electrode was discussed using the illustration shown in Fig.4.It has been reported that when Fe3O4is reduced completely into Fe by lithium(Eq.(1))during charge process,the volume increase theoretically by80.8%[20].Such a large volume expansion and shrinkage can lead to the pulverization of the Fe3O4 particles and destroy the electrode integration,which is believed to be the major factor leading to the poor cycling stability of Fe3O4. Our Fe3O4e Fe@C/TiC electrode exhibited an excellent cycling sta-bility,which can be attributed to its novel con?guration and the highly porous structure.First,Fe3O4is nanowire with a diameter less than around50nm,which diminished the effect of volume change comparing to large particles.Secondly,every Fe3O4nano-wire has a porous structure with signi?cant amount of nanoholes uniformly distributed in the entire nanowire.These pores provide enough spaces to accommodate the volume change during the lithiation/delithiation processes and maintain the nanowire integ-rity.Thirdly,the void among Fe3O4nanowires also allows the nanowire to swell without mechanical interaction.Besides,the SEM image of Fe3O4e Fe@C/TiC electrode after cycling test was also exhibited in Fig.S2.It can be seen that the electrode after cycling test also maintained the original morphology,except for the ag-gregation of the Fe3O4nanowires,indicating that the as-prepared electrode has superior stability during the reaction progress.The high rate performance of the Fe3O4e Fe@C/TiC electrode might be due to the following reasons:(1)All the Fe3O4nanowires directly grown on the highly conductive C/TiC nano?bers(via Fe particles probably),thus the resistance of electron transportation from cur-rent collector to active material is signi?cantly reduced because the diminished contact resistance between Fe3O4and C/TiC;(2)The Fe3O4nanowires have diameters less than around50nm,and very nanowire has a large amount of uniformly distributed nanoholes. This highly porous nanostructure remarkably increased the contact area of Fe3O4with electrolyte and shortened the diffusion path of Li ions to and in Fe3O4.Besides,the nanowire array con?guration also favors the transportation of electrolytes to the active materials.

In a very recent paper,He et al.[14]made a comprehensive comparison about the speci?c capacity at different rates for nano-structured Fe3O4and Fe3O4/C composite anodes reported in the literatures.They found that,among all the Fe3O4electrodes studied so far,the Fe3O4@C@PGC nanosheets composite displayed the best performance,followed by the Fe3O4/graphene composite[28,29] and the Fe3O4nanoparticles con?ned in mesocellular carbon foam[30].We summarized the high rate performance of these Fe3O4anodes and compared with our Fe3O4e Fe@C/TiC nanowire arrays electrode(Table1).As seen,the high rate performance of our Fe3O4e Fe@C/TiC nanowire arrays electrode is comparable with the Fe3O4@C@PGC nanosheets composite,and signi?cantly higher than other Fe3O4electrode previously reported.So this work demon-strated that the highly porous nanowires of Fe3O4e Fe are prom-ising anode materials for LIBs with high capacity,excellent high rate capability and superior cycling stability.

4.Conclusions

High performance Fe3O4e Fe@C/TiC nanowire array anode for LIBs was successfully fabricated via a facile process by electrode-position of Fe on conductive substrates,followed by

in-situ Fig. 4.Schematic illustration of the volume change buffering during charge and discharge process of the Fe3O4e Fe@C/TiC electrode.

Table1

Comparison of the speci?c capacity at different rates for nanostructured Fe3O4 anodes.

Discharge rates1C5C10C20C50C Ref.

Fe3O4@C@PGC nanosheet composite(mAh gà1)963868570297e[14]

Fe3O4/graphene nanocomposite(mAh gà1)900500e e e[28,29] Fe3O4nanoparticles con?ned in

mesocellular carbon foam(mAh gà1)

740475175e e[30]

Fe3O4e Fe@TiC/C nanowire arrays(mAh gà1)1012667500255100This

work

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chemical reaction with oxalic acid and?nal thermal conversion. The electrode has a unique hierarchical structure and the Fe3O4e Fe nanowires are highly porous with diameters less than around 50nm in diameter.This special architecture endows the electrode with large contact area between Fe3O4and electrolyte,short diffusion path for lithium ion transportation to and in the active material,low electron transfer resistance from current collector to active material(low contact resistance),and superior buffering ability for the volume changes during charge and discharge pro-cesses.Consequently,the electrode exhibited remarkably high ca-pacity,excellent high rate performance and cycling stability.The discharge capacity at10and50C rates reached500and 100mAh gà1,respectively.The capacity loss is less than6.4%after 100cycles at the rate of1C.

Acknowledgments

We gratefully acknowledge the?nancial support of this research by National Nature Science Foundation of China(21306033),the Fundamental Research Funds for the Central Universities (HEUCF20130910013)and Harbin Science and Technology Innova-tion Fund for Excellent Academic Leaders(2012RFXXG103).

Appendix A.Supplementary data

Supplementary data related to this article can be found at http:// https://www.360docs.net/doc/f3161470.html,/10.1016/j.jpowsour.2014.02.038.

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K.Cheng et al./Journal of Power Sources258(2014)260e265265

铁碳合金(复习题)

第四章铁碳合金 (一)填空题 1、渗碳体的晶体结构是,按其化学式铁与碳原子的个数比为 2、共析成分的铁碳合金平衡结晶至室温时,其相组成物为,组织成物为。 3、在生产中,若要将钢进行轧制或锻压时,必须加热至相区。 4、当铁碳合金冷却时发生共晶反应的反应式为,其反应产物在室温下被称为。 5、当W(C)=0.77%一2.11%间的铁碳合金从高温缓冷至ES线以下时,将从奥氏体中析出,其分布特征是。 6、奥氏体是在的固溶体,它的晶体结构是。 7、铁素体是在的固溶体,它的晶体结构是。 8、渗碳体是和的金属间化合物。 9、珠光体是和的机械混合物。 10、莱氏体是和的机械混合物,而变态莱氏体是和的机械混合物。 11、在Fe—Fe3C相图中,有、、、、五种渗碳体,它们各自 的形态特征是、、、、。(120页) 12.钢中常存杂质元素有、、、等,其中是有害元素,它们使钢产生、。 13.纯铁在不同温度区间的同素异晶体有(写出温度区间) 、、。14.碳钢按相图分为;按W(C)分为。 15. 标出Fe—Fe3C相图(图4—3)中指定相区的相组成物: ①,②,③,④,⑤。; 16.铁碳合金的室温显微组织由和两种基本相组成。 17.钢锭根据含氧量和凝固时放出一氧化碳的程度,可分为、、。 (二)判断题(复习题) 1.在铁碳合金中,只有共析成分点的合金在结晶时才能发生共析反应,形成共析组织。 ( X ) 2.因为磷使钢发生热脆,而硫使钢发生冷脆,故硫磷都是钢中的有害元素。( X ) 3.在室温下,共析钢的平衡组织为奥氏体。( X ) 4.纯铁加热到912℃时,将发生a-Fe一γ—Fe的转变。( X ) 5.铁碳合金中,一次渗碳体,二次渗碳体和三次渗碳体具有相同的晶体结构。( √) 6.在Fe—Fe3C相图中,共晶反应和共析反应都是在一定浓度和恒温下进行的。( √) 7.在Fe—Fe3C相图中,凡发生共晶反应的铁碳合金叫做白口铁;凡发生共析反应的铁碳合金叫做钢。( √) 8 珠光体是单相组织。( X )

铁碳合金相图分析及应用

第五章铁碳合金相图及应用 [重点掌握] 1、铁碳合金的基本组织;铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、菜氏体的结构和性能特点及显微组织形貌; 2、根据相图,分析各种典型成份的铁碳合金的结晶过程; 3、铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系。 铁碳相图是研究钢和铸铁的基础,对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。 铁和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C、Fe2C、FeC等, 有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分,通常称其为 Fe-Fe3C相图,相图中的组元只有Fe和Fe3C。 第一节铁碳合金基本相 一、铁素体 1.δ相高温铁素体:C固溶到δ-Fe中,形成δ相。 2.α相铁素体(用F表示):C固溶到α-Fe中,形成α相。 F强度、硬度低、塑性好(室温:C%=0.0008%,727度:C%=0.0218%)二、奥氏体 γ相奥氏体(用A表示):C固溶到γ-Fe中形成γ相)强度低,易塑性变形 三、渗碳体

Fe3C相(用Cem表示),是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物, 渗碳体的熔点高,机械性能特点是硬而脆,塑性、韧性几乎为零。 渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。 第二节 Fe-Fe3C相图分析 一、相图中的点、线、面 1.三条水平线和三个重要点 (1)包晶转变线HJB,J为包晶点。1495摄氏度,C%=0.09-0.53% L+δ→A (2)共晶转变线ECF, C点为共晶点。冷却到1148℃时, C点成分的L发生共晶反应:L→A(2.11%C)+Fe3C(6.69%C,共晶渗碳体)共晶反应在恒温下进行, 反应过程中L、A、Fe3C三相共存。 共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物, 称莱氏体, 以符号 Le表示。 (3)共析转变线PSK,S点为共析点。合金(在平衡结晶过程中冷)却到727℃时, S点成分的A发生共析反应:

铁碳相图详解

三、典型铁碳合金的平衡结晶过程 铁碳相图上的合金,按成分可分为三类: ⑴工业纯铁(<0.0218% C),其显微组织为铁素体晶粒,工业上很少应用。 ⑵碳钢(0.0218%~2.11%C),其特点是高温组织为单相A,易于变形,碳钢又分为亚共析钢(0.0218%~0.77%C)、共析钢(0.77%C)和过共析钢(0.77%~2.11%C)。 ⑶白口铸铁(2.11%~6.69%C),其特点是铸造性能好,但硬而脆,白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁(2.11%~4.3%C)、共晶白口铸铁(4.3%C)和过共晶白口铸铁(4.3—6.69%C) 下面结合图3-26,分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化。 图3-26 七种典型合金在铁碳合金相图中的位置 ㈠工业纯铁(图3-26中合金①)的结晶过程 合金液体在1~2点之间通过匀晶反应转变为δ铁素体。继续降温时,在2~3点之间,不发生组织转变。温度降低到3点以后,开始从δ铁素体中析出奥氏体,在3~4点之间,随温度下降,奥氏体的数量不断增多,到达4点以后,δ铁素体全部转变为奥氏体。在4~5点之间,不发生组织转变。冷却到5点时,开始从奥氏体中析出铁素体,温度降到6点,奥氏体全部转变为铁素体。在6-7点之间冷却,不发生组织转变。温度降到7点,开始沿铁素体晶界析出三次渗碳体Fe3C III。7点以下,随温度下降,Fe3C III量不断增加,室温下Fe3C III的最大 量为: % 31 .0 % 100 0008 .0 69 .6 0008 .0 0218 .0 3 = ? - - = Ⅲ C Fe Q 。图3-27为工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图。工业纯铁的室温组织为α+Fe3C III,如图3-28所示,图中个别部位的双晶界内是Fe3C III。

铁碳合金相图 习题

铁碳合金相图 一、选择题 1. 铁素体是碳溶解在()中所形成的间隙固溶体。 A.α-Fe B.γ-Fe C.δ-Fe D.β-Fe 2.奥氏体是碳溶解在()中所形成的间隙固溶体。 A.α-Fe B.γ-Fe C.δ-Fe D.β-Fe 3.渗碳体是一种()。 A.稳定化合物 B.不稳定化合物 C.介稳定化合物 D.易转变化合物4.在Fe-Fe3C相图中,钢与铁的分界点的含碳量为()。 A.2% B.2.06% C.2.11% D.2.2% 5.莱氏体是一种()。 A.固溶体B.金属化合物 C.机械混合物 D.单相组织金属 6.在Fe-Fe3C相图中,ES线也称为()。 A.共晶线 B.共析线 C.A3线 D.Acm线 7.在Fe-Fe3C相图中,GS线也称为()。 A.共晶线 B.共析线 C.A3线 D.Acm线 8. 在Fe-Fe3C相图中,共析线也称为()。 A.A1线 B.ECF线 C.Acm线 D.PSK线 9.珠光体是一种()。 A.固溶体 B.金属化合物 C.机械混合物 D.单相组织金属

10.在铁-碳合金中,当含碳量超过()以后,钢的硬度虽然在继续增加,但强度却在明显下降。 A.0.8% B.0.9% C.1.0% D.1.1% 11.通常铸锭可由三个不同外形的晶粒区所组成,其晶粒区从表面到中心的排列顺序为()。 A.细晶粒区-柱状晶粒区-等轴晶粒区 B.细晶粒区-等轴晶粒区-柱状晶粒区 C.等轴晶粒区-细晶粒区-柱状晶粒区 D.等轴晶粒区-柱状晶粒区-细晶粒区 12.在Fe-Fe3C相图中,PSK线也称为()。 A.共晶线 B.共析线 C.A3线 D.Acm线 13.Fe-Fe3C相图中,共析线的温度为()。 A.724℃ B.725℃ C.726℃ D.727℃ 14.在铁碳合金中,共析钢的含碳量为()。 A.0.67% B.0.77% C.0.8% D.0.87% 二、填空题 1. 珠光体是(铁素体)和(二次渗碳体)混合在一起形成的机械混合物。 2. 碳溶解在(α-F e)中所形成的(固溶体)称为铁素体。 3. 在Fe-Fe3C相图中,共晶点的含碳量为( 4.3% ),共析点的含碳量为(0.77% )。 4. 低温莱氏体是(珠光体)和(二次渗碳体,一次渗碳体)组成的机械混合物。 5. 高温莱氏体是(奥氏体)和(共晶渗碳体)组成的机械混合物。 6. 铸锭可由三个不同外形的晶粒区所组成,即(细晶粒区),(柱状晶粒区)和心部等轴晶粒区。 7. 在Fe-Fe3C相图中,共晶转变温度是(1148 ),共析转变温度是( 727 )。 三、改正题(红色字体为改正后答案)

《钢铁是怎样炼成的》中考试题及答案

《钢铁是怎样炼成的》中考试题 1.(福州市)请根据课外阅读的外国名著,补全下面的名人对联。 上联:搏命运风浪奏出一支支悲壮的乐曲(贝多芬) 下联:炼钢铁意志__________________(奥斯特洛夫斯基) 2.(上虞市)名著阅读填空。 保尔·柯察金是前苏联作家写的长篇小说《》中的主人公,他的事迹鼓舞了我国千千万万的读者。 3. 你在阅读中外名著时,采用的是什么读书方法?有什么收获?请略举一例加以说明。 4.他在生活底层长大,后来和战友们一道跃马挥刀,南征北战;在社会主义建设时期,与自 然环境顽强斗争;他全身瘫痪、双目失明之后,克服困难从事创作,继续为党和人民工作。 他的那段“人最宝贵的东西是生命”的名言,成为一代人的座右铭。他叫(),这部作品是《》。(杭州市) 5. (乐山市)阅读名著,回答下面几个问题: 《钢铁是怎样炼成的》是教材推荐给中学生的课外阅读名著之一。这部小说是原苏联作 家尼古拉·奥斯特洛夫斯基在病榻上历时三年写成的。出版后对全世界一代代的青年产生了 巨大影响。我们相信你一定读过这部小说,喜欢小说中的人物和故事。 ①《钢铁是怎样炼成的》的主人公是_________ ②主人公是在_________ 的影响下逐步走上革命道路。在革命的熔炉中,他从一个工人子弟 锻炼成为无产阶级战士。 ③在他身上凝聚着那个时代最美好的精神品质:____________精神,___________ 的意志,_____________________的高贵品质。 ④这部小说回答了作为青年人最迫切需要回答的一个问题,这个问题是:____ ___? 6. (四川省)阅读下面的一段文字,回答问题。 “人最宝贵的东西是生命。生命对于我们只有一次。一个人的生命应当这样度过:当他 回首往事的时候,他不因虚度年华而悔恨,也不因碌碌无为而羞愧——这样,在临死的时候, 他能够说:‘我整个的生命和全部精力,都已献给世界上最上最壮丽的事业——为人类的解 放而斗争。’” ⑴这段激动人心、被千千万万青年人作为座右铭的文字,是出自苏联小说,这是书中主人公对生命的诠释。 ⑵某校文学社团决定举办“读名著,谈感受”的一系列活动。其活动之一就是围绕上面这一 小说主人公的名言召开一个题为“生命的价值”的小型研讨会。请你为主持人拟一段研讨会 的开场白。(不少于40字) ⑶请按下面的格式,自选角度写一段话介绍保尔。要求结合名著中的其它情节,最少使用一 个成语。 保尔是一个。 7. 请从下列名著中选择一部,写出其中的两个人物,并分别用一句话概括与这个人物相关的一个故事。《水浒传》《西游记》《朝花夕拾》《钢铁是怎样炼成的》(山东) 所选名著:

第五章 铁碳相图习题参考答案

第五章铁碳相图习题参考答案 一、解释下列名词 答:1、铁素体:碳溶入α-Fe中形成的间隙固溶体。 奥氏体:碳溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体。 渗碳体:铁与碳形成的具有复杂晶体结构的金属化合物。 珠光体:铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 莱氏体:由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。 2、Fe3CⅠ:由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。 Fe3CⅡ:从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体。 Fe3CⅢ:从铁素体中析出的Fe3C称为三次渗碳体。 共析Fe3C:经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。 共晶Fe3C:经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。 3、钢:含碳量大于0.00218%,小于2.11%的铁碳合金。 白口铸铁:含碳量大于2.11%的铁碳合金。 二、填空题 1、常温平衡状态下,铁碳合金基本相有铁素体(F)、渗碳体(Fe3C)等两个。 2、Fe-Fe3C相图有4个单相区,各相区的相分别是液相(L)、δ相、铁素体(F)、奥氏体(A)。 3、Fe-Fe3C 相图有三条水平线,即HJB、ECF和PSK线,它们代表的反应分别是包晶反应、共晶反应和共析反应。 4、工业纯铁的含碳量为≤0.0218%,室温平衡组织为F+ Fe3CⅢ。 5、共晶白口铁的含碳量为4.3%,室温平衡组织P占40.37%,Fe3C共晶占47.82%,Fe3CⅡ占11.81%。 6、一钢试样,在室温平衡组织中,珠光体占60%,铁素体占40%,该钢的含碳量为0.4707。 7、钢的组织特点是高温组织为奥氏体(A),具有良好的塑、韧性,因而适于热加工成形。 8、白口铸铁的特点是液态结晶都有共晶转变,室温平衡组织中都有莱氏体,因而适于通过铸造成形。 三、简答题 1、为什么γ-Fe 和α- Fe 的比容不同?一块质量一定的铁发生(γ-Fe →α-Fe )转变时,其体积如何变化? 答:因为γ-Fe和α- Fe原子排列的紧密程度不同,γ-Fe的致密度为74%,α- Fe的致密度为68%,因此一块质量一定的铁发生(γ-Fe →α-Fe )转变时体积将发生膨胀。 2、铁素体(F),奥氏体(A),渗碳体(Fe3C),珠光体(P),莱氏体(Ld)的结构、组织形态、

铁碳相图以及铁碳合金

铁碳相图以及铁碳合金 Post By:2009-12-6 16:33:51 钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料,虽然它们的种类很多,成分不一,但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素。因此,学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。 Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。所以,Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相5%),因此,通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。,后面三部分相图实际上没有应用价值(工业上使用的铁碳合金含碳量不超过化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite),是一种亚稳定的化合物,在一定条件下可以分解为Fe和C,C原子聚集到一起就是石墨。因此,铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图(图1)。Fe-Fe3C 相图主要用于钢,而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图,Fe -石墨相图与此类似,只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。 图1 铁碳双重相图 【说明】 图1中虚线表示Fe-石墨相图,没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。

铁具有异晶转变,即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。纯铁的同素异晶转变如下: 由于Fe的晶体结构不同,C在Fe中的溶解度差别较大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%,而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。 纯铁 纯铁的熔点1538℃,固态下具有同素异晶转变:912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构,912℃到1 394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。工业纯铁的显微组织见图2。 图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织 铁的固溶体 碳溶解于α-Fe和δ-Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite),用α、δ或F表示, 由于δ-Fe是高温相,因此也称为高温铁素体。铁素体的含碳量非常低(室温下含碳仅为0.005%),所以其性能与纯铁相似:硬度(HB50~80)低,塑性(延伸率δ为30%~50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同(图2) 碳溶解于γ-Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite),用γ或A表示。具有面心立方晶体

材料科学基础 铁碳相图补充作业题答案

铁碳相图补充作业题答案 1. 铁碳合金按Fe —Fe 3C 相图成分区域分成七类,分别是什么? 2. 分析以上七种成分合金平衡结晶过程与最终组织,并计算: (1) 工业纯铁中三次渗碳体的最大含量。 分析:在工业纯铁中,随C 含量的增加,三次渗碳体的含量也越多,当C%=0.0218% (即P 点成分的工业纯铁中)时,Fe 3C Ⅲ量达到最大值。 W Fe3C Ⅲ=008 .069.6008,00218. 0--×100%=0.33% (2) 共析钢中,α和Fe 3C 的相对含量。(Fe 3C Ⅲ量很少,一般忽略不计) W α=%100218 .069.677.069.6?--=%10069.677.069.6?-=88% W Fe3C =1-88%=12% (3)45钢(含C :0.45%)中,组织组成物和相组成物的相对含量。 分析:45钢组织组成物为:铁素体(先共析)+ 珠光体 相组成物为:铁素体(α)+ 渗碳体(Fe 3C ) 由于Fe 3C Ⅲ量很少,可以忽略不计,只考虑727℃共析转变完成之后即可。 组织组成物:?? ???=-==?==?=----%57%431Wp %57%100%43%1000218.077.00218.045.00218.077.045.077.0或αWp W 相组成物: ?????=-==?==?=----% 7%931W %7%100%93%100C 3Fe 0218.69.60218.045.030218.069.645.069.6或αo C Fe W W 注:共析钢中,室温组织为α+ P W C %↑, W P ↑,可近似根据亚共析钢的平衡组织来估算钢的含C 量。 W P =%100%1008.077.0218.077.0028.0?==?--C C C ∴ 钢的含C 量 C=0.8W P (忽略α、P 密度的差别)W P :珠光体所占的面积百分比。 (4)T10钢(1%C )中,Fe3C Ⅱ和珠光体的相对量 W Fe3C Ⅱ=%100 77.069.677.00.1?--=4% W P =1—4%=96% 注:在过共析钢中,W C ↑, Fe3C Ⅱ↑ 当 W C =2.11% Fe 3C Ⅱ达到最大值 W Fe3C Ⅱ最大=%6.22%100 77.069,677.011.2=?-- (5)共晶白口铸铁中,Fe 3C 共晶与γ共在共晶温度下的相对量。共析温度下P 与Fe 3C 的相对量。 ?????=-==?=--%48%521W %52%100C 3Fe 11.269.63.469.6共共γW

本单元练习试题[铁碳合金]参考答案解析[秦]

本单元练习题(铁碳合金) (一)填空题 1、铁碳合金的主要力学性能与碳的质量分数之间的关系规律是:当w c﹤0.9%时,随着碳质量分数的增加,其强度、硬度增加,而塑性、韧性降低;当w c>0.9%时,其强度、塑性、韧性降低,而硬度增加。 2、铁碳合金在室温下平衡组织组成物的基本相是铁素体和渗碳体,随着碳的质量分数的增加,渗碳体相的相对量增多,铁素体相的相对量却减少。 3、珠光体是一种复相组织,它由铁素体和渗碳体按一定比例组成。珠光体用符号 P 表示。 4、铁碳合金中,共析钢的w c= 0.77 %,室温平衡组织为 P ;亚共析钢的w c=0.0218~0.77%,室温平衡组织为 P+F ;过共析钢的w c= 0.77~2.11 %,室温 5、铁碳合金结晶过程中,从液体中析出的渗碳体称为一次渗碳体;从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体;从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体。 (二)判断题 1.高碳钢的性能优于低碳钢。(×) 2.铁碳合金的结晶都是在某一恒定温度下进行的。(×) 3.纯铁在固态下会发生同素异晶转变。。(√) 4.共析钢是指碳质量分数为0.77%的铁碳合金。(√) 5.一般来说,中碳钢不仅强度、硬度较高,而且塑性、韧性也较好。(√) 6. 碳钢平衡结晶后组织中不会出现有莱氏体组织。(√)

(√ ) 7. 铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体,碳溶解度不超过0.0218%。 8. 碳钢和白口铸铁是属于铁碳合金。(√) 9. 低碳钢中的珠光体,其碳的质量分数较低;高碳钢中的珠光体,其碳的质量分数较高。(×) 10. α-Fe和γ-Fe都是纯铁的同素异晶体。(√) (三)选择题 1.下面所列的组织中,脆性最大的是( d );塑性最好的是(c )。 (a)Ld (b)P (c)A (d)Fe3C 2.在平衡状态下,下列钢的牌号中强度最高的是( d ),塑性最好的是( c )。 (a)45 钢 (b)65钢 (c)08F钢 (d)T10钢。 3.钢牌号Q235A中的235表示的是( b ) (a)抗拉强度值 (b)屈服强度值 (c)疲劳强度值 (d)布氏硬度值。 4.下列叙述错误的是( b )。 (a)碳在γ-Fe中的间隙式固溶体称为奥氏体 (b)铁素体在室温下的最大溶解度是0.0218% (c)奥氏体在727℃以上具有良好的塑性 (d)奥氏体的溶碳能力比铁素体强 5.将下列组织按其所能达到的最高碳的质量分数从大到小排列,正确的顺序是( b ) (1)P (2)F (3)Fe3C (4)Ld' (5) A (a)1、2、3、4、5 (b)3、4、1、5、2 (c)3、4、5、1、2 (d)2、3、4、5、1

铁碳合金习题(问题详解)

铁碳合金 一、填空题 1.在铁碳合金基本组织中,奥氏体、铁素体和渗碳体属 于单相组织。 珠光体和莱氏体属于两相组织。 2.根据溶质原子在溶剂晶格中的分布情况,固溶体有二种基本类型, 它们是置换固溶体和间隙固溶体。 3.根据溶质在溶剂中的溶解情况,置换固溶体可分为无限固溶体 和有限固溶体两种。 4.铁素体与渗碳体的机械混合物称为珠光体,渗碳体与铁素体 片状相间的组织又称为片状珠光体,在铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织又称为粒状珠光体。

5.不同晶体结构的相,机械地混合在一起的组织,叫做固态机械 混合物,铁碳合金中,这样的组织有珠光体和莱氏体。 6.在铁碳合金基本组织中,铁素体和奥氏体属于固溶体; 渗碳体属于化合物;珠光体和莱氏体属于机械混合物。 7.分别填写下列铁碳合金组织的符号: 奥氏体A;铁素体F;渗碳体C;珠光体P。 C)称为渗碳体、含碳量为8.铁和碳形成的金属化合物(Fe 3 6.69%。 9.铁素体在室温时,对碳的溶解度是0.008 %,在727℃时溶解 度是0.0218 %。 10.奥氏体对碳的溶解度,在727℃时溶解度是0.77 %,在 1148℃时溶解度是 2.11 %。

11.含碳量小于 2.11 %的铁碳合金称为钢,钢根据室温显微组织 不同,可分为以下三类: 亚共析钢钢,显微组织为铁素体+珠光体,含碳量范围 0.0218~0.77 %; 共析钢钢,显微组织为珠光体,含碳量范围0.77 %; 过共析钢钢,显微组织为珠光体+渗碳体,含碳量范围0.77~2.11 %。 12.碳在奥氏体中的溶解度随温度而变化,在1148°时溶碳量可达 2.11 %,在727°时溶碳量可达0.77 %。 13.人们常说的碳钢和铸铁即为铁、碳元素形成的合金。 14.20钢在650℃时的组织为铁素体+珠光体;在1000℃时的 组织为奥氏体。

详解铁碳相图

详解铁碳相图 (注:在解读上面铁碳相图之前,我们要明白纯铁在不同的温度下会发生同素异晶转变,这个对于我们解读上面相图很有用。) 1:ACD线: ACD线上面完全是液相,没有固相产生。在温度1538℃时候,此时的液态铁的晶格类型为δ-Fe,如果此时的碳溶解在δ-Fe的晶格间隙中,那么就会产生一种新的相,即为铁素体相,为了区别碳溶解在α-Fe中的铁素体相,分别给它们前面加上一个δ或者α,即如果是碳溶解到晶格类型为δ-Fe的间隙中形成间隙固溶体相的就命名为δ-铁素体或直接写δ,如果是溶解到晶格类型为α-Fe的间隙中形成间隙固溶体相的就命名为α-铁素体或α或F。 伴随着温度的下降,组元----温度----成分三者是这个铁碳相图的核心理念。要看懂这个相图,弄明白组元----温度----成分关系,就能读懂这个相图。 从图中你可以看见,即便同一个温度,不同的碳含量,它的成分是不一样的,这就是为什么要提到组元----温度----成分这三者关系的原因。而铁碳相图会一直要用到这三者的关系来加以理解。 重点:铁素体就是碳溶解到δ-Fe和α-Fe的晶格间隙而形成的一种间隙固溶体相。 2:AEC区域和CDF区域 AEC和CDF区域有液相也有固相,但是,它们的成分是不一样的,AEC区域为什么是奥氏体+液相呢?为什么CDF区域是渗碳体+液相呢?首先,AEC区域之所以是奥氏体+液相,那是因为在1500℃---1148℃时候δ-Fe会转变成γ-Fe(转变温度为1394℃),也就是说,当温度从1394℃再次冷却到1148℃的时候,这时候δ-Fe已经转变成了γ-Fe,此时的碳就会溶解到γ-Fe晶格中形成一种新的间隙固溶体相,即为奥氏体,由于受到温度原因,液相并没

钢铁冶金原理试题1答案

科技大学2008 /2009学年第1学期 《钢铁冶金原理》考试试题A 课程号:61102304 考试方式:闭卷 使用专业、年级:冶金2006 任课教师: 考试时间:2009 备 注: 一、 简答题(共5题,每题4分,共20分) 1. 请给出活度的定义及冶金中常用的三种标准态。 2. 什么是酸性氧化物、碱性氧化物和两性氧化物?如何表示炉渣的 碱度? 3. 何为化合物的分解压、开始分解温度及沸腾分解温度? 4. 何为溶液中组分的标准溶解吉布斯自山能?写出形成质量理标 准溶 液的标准溶解吉布斯自山能汁算式。 5. 何为氧化物的氧势?氧化物的氧势与其稳定性关系如何? 二、 填空题(共20空,每空1分,共20分) 1. 在恒温、恒压下,溶液的热力学性质 对某一组元摩尔 量的 偏微分值称为溶液中该组元的偏摩尔量。 2. 在任意温度下,各 组元在 全部 浓度围均服从 拉乌尔 定律的溶液称为理想溶液。 3. 按照熔渣离子 结构理论,熔渣由简单的 阳 离子、 阴 离子和复合 阴 离子团所组 成。 4. 熔渣的氧化性表示熔渣向 金属液(或钢液) 提供 氧 的能力,用熔渣中 FeO 的活度表示。 5. 在一定温度下,把熔渣具有 ________ 粘度的组成点 连成线,称为熔渣的等粘度曲线。 6. 若化学反应的速率与反应物浓度的若干次方成 正比 , 垃載対酣 nnnnnnnnnnnn 豊躱 ..... ........... ...........................................

且反应级数与反应物的计量系数相等,这样

的反应称为基元反应。 7. 气体分子在 分子(或得华)引力 的作用下被吸附到固体或 液体的表面上称为物理吸附;在 化学键力 的作用下被 吸附到固体或液体的表面上,称为化学吸附。 三、 分析题(共2题,每题12分,共24分) 1. 请写出图1中各条曲线所代表的反应,各区域稳定存在的氧化物, 利用热力学原理分析各氧化物稳定存在的原因。 2. 钢液中[C]和[Cr]之间存在化学反应:4[C] + (Cr 3O 4) = 3[Cr] + 4CO, 试用热力学原理分 析有利于实现去碳保珞的热力学条件。 1UU 80 60 40 20 400 600t t 800 1000 1 200 675 737 温度八C

钢铁冶金学试题库

试题库 一、填空题 1.高炉生产的主要原料是___________________、_________ 和熔剂。 答案:铁矿石及其代用品;燃料 2.炼铁的还原剂主要有三种,即__________、_________和_________ 。 答案:碳、一氧化碳、氢 3.高炉CO不能全部转变成CO2的原因是因为铁氧化物的____________需要过量的CO与生成物平衡。答案:间接还原 4.钢、铁都是铁碳合金,一般把碳含量大于2.00%叫_______________。 答案:铁 5.硅的氧化反应是________反应,低温有利于硅的氧化。答:放热 6.钢中加入适量的铝,除了脱氧的作用以外,还具有___________的作用。 答案:细化晶粒 7.在硫的分配系数一定的条件下,钢中含硫量取决于_______中硫含量和渣量。答案:炉渣 8.要使炉况稳定顺行,操作上必须做到三稳定,即____________、____________、____________。答案:炉温、碱度、料批 9.钢中有害气体主要是_________、_________。答案:H;N 10.炼钢的基本任务有脱碳、脱硫、脱氧合金化和__________。 答案:去气和去夹杂物 11.造渣方法根据铁水成份和温度,冶炼钢种的要求选用_______、双渣法、留渣法。措施。答案:单渣 12.12.铁矿石还原速度的快慢,主要取决于____________和____________的特性。 答案:煤气流;矿石 13.生铁一般分为三大类,即____________、____________、____________。 答案:铸造铁、炼钢铁、铁合金 14.在钢材中引起热脆的元素是____________ ,引起冷脆的元素是____________ 。 答案:Cu、S;P、As 15.在Mn的还原过程中,____________是其还原的首要条件, ____________是一个重要条件。答案:高温;高碱度 16.炉渣中含有一定数量的MgO,能提高炉渣____________ 和____________。 答案:流动性;脱硫能力 17.氧气顶吹转炉炼钢操作中的温度控制主要是指__________和终点温度控制。。 答案:过程温度 18.氧气顶吹转炉炼钢影响炉渣氧化性酌因素很多,经常起主要作用的因素是_________。答案:枪位和氧压 19.铁子预处理主要是指脱硫,另外也包括___________。答案:脱硅和脱磷 20.影响高炉寿命的关键部位是____________ 和____________。答案:炉缸;炉身中部 21.氧气预吹转炉传氧方式一般有直接传氧和(间接传氧)两种方式。 22.高炉下部调剂中,凡是减少煤气体积或改善透气性的因素就需____________ 风速和鼓风动能;相反,则需相应____________ 风速和鼓风动能。答案:提高;减小 23转炉入炉铁水温度应在_________以上。答案:1250℃ 24.一般规定矿石中含硫大于为____________高硫矿。答案:0.3% 25.FeO含量对烧结矿质量的影响主要表现在____________和____________两个方面。

铁碳合金测试题

(铁碳合金)测试题一 一、填空题:(每空1分,共30分) 1.合金是一种_________与_________________或_________________通过熔炼或其他方法结合而成的具有___________的物质。 2.合金中成分、结构、及性能相同的组成部分称为___________。 3.根据合金中各组元之间的相互作用不同,合金组织可分为___________、____________和____________三种类型。 4.根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同,固溶体可分为_____________和____________两种。 5.合金组元间发生_____________而形成一种具有____________的物质称为金属化合物,其性能特点是_______高、__________ 高、____________大。 6.铁碳合金的基本组织有五种,它们是______________、_____________、__________ 、_________ 和_________。其中属于固溶体的有___________ 和________。属于金属化合物的是__________,属于混合物的有___________和___________。 7.共析钢冷却到S时,会发生________转变,从奥氏体中同时析出___________和___________的混合物,称为___________。 8.碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为___________。 二、选择题:(每选项1分,共10分) 1.组成合金的最基本的独立物质称为() A、相 B、组元 C、组织 2.合金固溶强化的主要原因是() A、品格类型发生了变化 B、晶粒细化 C、晶格发生了畸变 3.铁素体为()晶格,奥氏体为()晶格。 A、面心立方B、体心立方C、密排六方 4.珠光体的平均含碳量为()%。 A、0.77 B、2.11 C、6.69 5.从奥氏体中析出的渗碳体称为(),从液体中结晶出渗碳体称为() A、一次渗碳体 B、二次渗碳体 C、三次渗碳体 6.铁碳合金相图上的共析线是() A、ECF B、ACD C、PSK 7.亚共析钢冷却到GS线时,要从奥氏体中析出() A、铁素体 B、渗碳体 C、r珠光体 8.室温组织中不含Fe3 CⅡ的为() A、含碳量为0.45%的铁碳合金 B、含碳量为0.8%的铁碳合金 C、含碳量为3.0%的铁碳合金 三、判断题:(每题2分,共10分) 1.金属化合物的晶格类型完全不同于任一组元的晶格类型() 2.金属与合金在任何条件下都是晶体,而玻璃在任何条件下都是非晶体() 3.金属化合物一般都具有复杂的晶体结构() 4.碳在γ-Fe中的溶解度比在α-Fe中的溶解度小()

《钢铁是怎样炼成的》测试题(附答案)18721

《钢铁是怎样炼成的》测试题 (每空4分) 一、填空题 1、是保尔走上革命道路的最初领导人。 2、是一个英雄战士谱写的一曲的赞歌。 3、《钢铁是怎样炼成的》和高尔基的“自传性三部曲”一样,都是小 说。 4、本文的主人公是,请你写出一则有关他的故事:(举出 一例即可)。 5、你能说出保尔的两个好朋友的名字吗?(任意说出两个即可)。 6、保尔因何被校长开除? 7、是保尔年少时的朋友,在战场上英勇牺牲。 8、保尔最后的着作是 9、保尔在河边钓鱼时遇到的女孩是谁?。 10﹑长篇小说《钢铁是怎样炼成的》是(国籍)作家奥斯特罗夫斯基的代表作。 11、《钢铁是怎样炼成的》是一部描写苏联后第一代苏维埃青年,在的领导下,为恢复国民经济,巩固新生的苏维埃政权,同国内外敌人及各种困难进行顽强斗争的优秀小说。 二、选择题: 1 在下列选择中选出与原文不符的一项() A保尔13岁时就开始参加革命活动。 B书中描写了保尔怎样对待监狱、战争、工作友谊、爱情、疾病、挫折等。 C保尔是以作者自己为原型塑造出来的带有自传性质的典型形象。 D《钢

铁是怎样炼成的》曾被邮差弄丢过。 2 《钢铁是怎样炼成的》一书的作者是:() A 、保尔?柯察金 B、奥斯特罗夫斯基 C、高尔基 D、托尔斯泰 3、《钢铁是怎样炼成的》一书的主人公保尔在谁的影响下走向革命道路。() A、阿维尔巴赫教授 B、巴扎诺娃 C、朱赫莱 D、母亲 4、保尔的妻子是:() A、娃莲 B、冬妮娅 C、达雅 D、丽达 三、判断下列说法正确与否:错的打“×”,对的打“√” 1、1920年,保尔在一次作战中头部、腹部多次受伤,右眼失去80%的视力;1927年全身瘫痪,双目失明,完全失去了活动能力。他便开始了英雄主义事业——文学创作,1934年出版了《钢铁是怎样炼成的》。() 2、《钢铁是怎样炼成的》分为两部分,第一部分描写国内战争,第二部分描写经济恢复和社会主义建设。() 3、保尔的英雄表现在他驰骋疆场,骁勇善战,缕立战功上。() 4、保尔为救朱赫来而被告密入狱的。() 5﹑《钢铁是怎样炼成的》是一部描写苏联卫国战争时期第一代苏维埃青年,同国内外敌人和各种困难进行顽强战斗的优秀小说。() 6、保尔的“人最宝贵的东西是生命,……”一段名言,是在娃莲墓地上的内心独白。() 7、保尔在铁路工厂提出开除任意毁坏贵重钻子、不遵守劳动纪律的共青团员朱赫莱的团籍。() 答案 1朱赫来 2《钢铁是怎样炼成的》英雄主义 3自传性 4保尔?柯察金参加苏维埃红军等等

最新第五章__铁碳相图习题参考答案资料

第五章铁碳相图 习题参考答案 一、解释下列名词 答:1、铁素体:碳溶入α-Fe中形成的间隙固溶体。 奥氏体:碳溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体。 渗碳体:铁与碳形成的具有复杂晶体结构的金属化合物。 珠光体:铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 莱氏体:由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。 2、Fe3CⅠ:由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。 Fe3CⅡ:从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体。 Fe3CⅢ:从铁素体中析出的Fe3C称为三次渗碳体。 共析Fe3C:经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。 共晶Fe3C:经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。 3、钢:含碳量大于0.00218%,小于2.11%的铁碳合金。 白口铸铁:含碳量大于2.11%的铁碳合金。 二、填空题 1、常温平衡状态下,铁碳合金基本相有铁素体(F)、渗碳体(Fe3C)等两个。 2、Fe-Fe3C相图有4个单相区,各相区的相分别是液相(L)、δ相、铁素体(F)、奥氏体(A)。 3、Fe-Fe3C 相图有三条水平线,即HJB、ECF和PSK线,它们代表的反应分别是包晶反应、共晶反应和共析反应。 4、工业纯铁的含碳量为≤0.0218%,室温平衡组织为F+ Fe3CⅢ。 5、共晶白口铁的含碳量为4.3%,室温平衡组织P占40.37%,Fe3C共晶占47.82%,Fe3CⅡ占11.81%。 6、一钢试样,在室温平衡组织中,珠光体占60%,铁素体占40%,该钢的含碳量为0.4707。 7、钢的组织特点是高温组织为奥氏体(A),具有良好的塑、韧性,因而适于热加工成形。 8、白口铸铁的特点是液态结晶都有共晶转变,室温平衡组织中都有莱氏体,因而适于通过铸造成形。 三、简答题 1、为什么γ-Fe 和α- Fe 的比容不同?一块质量一定的铁发生(γ-Fe →α-Fe )转变时,其体积如何变化? 答:因为γ-Fe和α- Fe原子排列的紧密程度不同,γ-Fe的致密度为74%,α- Fe的致密度为68%,因此一块质量一定的铁发生(γ-Fe →α-Fe )转变时体积将发生膨胀。

铁碳相图以及铁碳合金

铁碳相图以及铁碳合金 发布日期:[08-03-10 14:26:26] 浏览人次:[5779 ] https://www.360docs.net/doc/f3161470.html, 马棚网 钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料,虽然它们的种类很多,成分不一,但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素。因此,学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。 Fe 和C 能够形成Fe 3C, Fe 2C 和FeC 等多种稳定化合物。所以,Fe-C 相图可以划分成Fe-Fe 3C, Fe 3C-Fe 2C, Fe 2C-FeC 和FeC-C 四个部分。由于化合物是硬脆相5%),因此,通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe 3C 部分。,后面三部分相图实际上没有应用价值(工业上使用的铁碳合金含碳量不超过 化合物Fe 3C 称为渗碳体(Cementite),是一种亚稳定的化合物,在一定条件下可以分解为Fe 和C ,C 原子聚集到一起就是石墨。因此,铁碳相图常表示为Fe-Fe 3C 和Fe-石墨双重相图(图1)。Fe-Fe 3C 相图主要用于钢,而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。这里主要分析讨论Fe-Fe 3C 相图,Fe-石墨相图与此类似,只是右侧的单相是石墨而不是Fe 3C 。 图1 铁碳双重相图 【说明】 图1中虚线表示Fe-石墨相图,没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。 铁具有异晶转变,即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。纯铁的同素异晶转变如下:

由于Fe的晶体结构不同,C在Fe中的溶解度差别较大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%,而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。 纯铁 纯铁的熔点1538℃,固态下具有同素异晶转变:912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构,912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。工业纯铁的显微组织见图2。 图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织 铁的固溶体 碳溶解于α-Fe和δ-Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite),用α、δ或F表示, 由于δ-Fe 是高温相,因此也称为高温铁素体。铁素体的含碳量非常低(室温下含碳仅为0.005%),所以其性能与纯铁相似:硬度(HB50~80)低,塑性(延伸率δ为30%~50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同(图2) 碳溶解于γ-Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite),用γ或A表示。具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳,1148℃时最多可以溶解2.11%的碳,到727℃时含碳量降到0.8%。奥氏体的硬度(HB170~220)较低,塑性(延伸率δ为40%~50%)高。奥氏体的显微组织见图3,图4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。

《钢铁是怎样炼成的》课外阅读测试题(附答案)

《钢铁是怎样炼成的》阅读练习题 1、请根据课外阅读的外国名著,补全下面的名人对联。上联:搏命运风浪奏出一支支悲壮的乐曲 (贝多芬)下联:炼钢铁意志写下一页页辉煌的篇章(奥斯特洛夫斯基) 2、保尔·柯察金是前苏联作家奥斯特洛夫斯基写的长篇小说《钢铁是怎样炼成的》中的主人公,他的事迹鼓舞了我国千千万万的读者。 3、根据下面画线句子的特点,再仿写两个句子。课外阅读是提高语文水平的重要途径,可以使我们获得很多有益的启示,充实我们的生活。读《三国演义》,我们可以领略到诸葛亮舌战群儒的风采;读《钢铁是怎样炼成的》,我们能领悟到人生的真谛和生命的意义;读《西游记》,我们能学到孙悟空的嫉恶如仇;读《红楼梦》,我们能体会到封建社会大家庭衰落的必然性;读《格列佛游记》,我们了解了当时英国统治阶级的腐朽与罪恶;读《童年》,我们体会到当时俄罗斯下层人民生活的苦难;读《水浒》,我们感受到什么是义薄云天。 4、红军攻下了小城谢佩托夫卡,保尔的好朋友谢廖沙参军了,当了团区委书记。 5、保尔最爱读英国小说《牛虻》,敬佩主人公的斗争精神。 6、他在生活底层长大,后来和战友们一道策马扬刀,南征北战,在社会主义建设时期与恶劣的自然条件顽强斗争,表现了极大的智慧和积极性,当他病魔缠身躺在病床上时则克服困难,开始创作,继续为党和人民工作。这个著名的文学形象就是保尔﹒柯察金,作品是奥斯特洛夫斯基的《钢铁是怎样炼成的》。 7、“这些人是无价之宝,钢铁就是这样炼成的”是朱赫来到修铁路的工地视察视察时说的。 8、他在生活底层长大,后来和战友们一道跃马挥刀,南征北战;在社会主义建设时期,与自然环境顽强斗争;他全身瘫痪、双目失明之后,克服困难从事创作,继续为党和人民工作。他的那段“人最宝贵的东西是生命”的名言,成为一代人的座右铭。他叫(保尔﹒柯察金),这部作品是《钢铁是怎样炼成的》。 9、《钢铁是怎样炼成的》是教材推荐给中学生的课外阅读名著之一。这部小说是原苏联作家尼古拉·奥斯特洛夫斯基在病榻上历时三年写成的。出版后对全世界一代代的青年产生了巨大影响。我们相信你一定读过这部小说,喜欢小说中的人物和故事。请你回答下面几个问题: ①《钢铁是怎样炼成的》的主人公是保尔·柯察金。 ②主人公是在朱赫来的影响下逐步走上革命道路。在革命的熔炉中,他从一个工人子弟锻炼成为无产阶级战士。 ③在他身上凝聚着那个时代最美好的精神品质:为理想而献身的精神,钢铁般的意志,顽强奋斗的高贵品质。 ④这部小说回答了作为青年人最迫切需要回答的一个问题,这个问题是:人的一生应该怎样度过? 10、阅读下面的一段文字,回答问题。人最宝贵的东西是生命。生命对于我们只有一次。一个人的生命应当这样度过:当他回首往事的时候,他不因虚度年华而悔恨,也不因碌碌无为而羞愧——这样,在临死的时候,他能够说:‘我整个的生命和全部精力,都已献给世界上最上最壮丽的事业——为人类的解放而斗争。' ⑴这段激动人心、被千千万万青年人作为座右铭的文字,是出自苏联小说《钢铁是怎样炼成的》,这是书中主人公保尔·柯察金对生命的诠释。 ⑵请按下面的格式,自选角度写一段话介绍保尔。要求结合名著中的其它情节,最少使用一个成语。 答:保尔是一个意志坚定的人。他把自己的一生都献给了革命事业,双目失明却决不碌碌无为,在病床上完成了著作——《暴风雨所诞生的》,他用钢铁般的意志诠释着生命的意义。 11、名著是美的。《繁星·春水》美在它对母爱、童心的赞美;《钢铁是怎样炼成的》美在它对顽强不屈精神的赞美;鲁智深美在它疾恶如仇、有勇有谋的性格。

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