材料科學(xué)基礎(chǔ)上復(fù)習(xí)題庫(kù)

1、LJD整理 材料科學(xué)基礎(chǔ)（上）簡(jiǎn)答題1.空間點(diǎn)陣與晶體點(diǎn)陣有何區(qū)別？晶體點(diǎn)陣也稱晶體結(jié)構(gòu)，是指原子的具體排列；而空間點(diǎn)陣則是忽略了原子的體積，而把它們抽象為純幾何點(diǎn)。2.金屬的3種常見(jiàn)晶體結(jié)構(gòu)中，不能作為一種空間點(diǎn)陣的是哪種結(jié)構(gòu)？密排六方結(jié)構(gòu)。3.原子半徑與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)的配位數(shù)降低時(shí)原子半徑如何變化？原子半徑發(fā)生收縮。這是因?yàn)樵右M量保持自己所占的體積不變或少變，原子所占體積VA原子的體積(4/3r3+間隙體積)，當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)的配位數(shù)減小時(shí)，即發(fā)生間隙體積的增加，若要維持上述方程的平衡，則原子半徑必然發(fā)生收縮。4.在晶體中插入柱狀半原子面時(shí)能否形成位錯(cuò)環(huán)？不能。因?yàn)槲诲e(cuò)環(huán)是通過(guò)環(huán)內(nèi)

2、晶體發(fā)生滑 移、環(huán)外晶體不滑移才能形成。5.計(jì)算位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受力的表達(dá)式為，其中是指什么？外力在滑移面的滑移方向上的分切應(yīng)力。6.位錯(cuò)受力后運(yùn)動(dòng)方向處處垂直于位錯(cuò)線，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是可變的，晶體作相對(duì)滑動(dòng)的方向應(yīng)是什么方向？始終是柏氏矢量方向。7.位錯(cuò)線上的割階一般如何形成？位錯(cuò)的交割。8.界面能最低的界面是什么界面？共格界面。9. “小角度晶界都是由刃型位錯(cuò)排成墻而構(gòu)成的”這種說(shuō)法對(duì)嗎？否，扭轉(zhuǎn)晶界就由交叉的同號(hào)螺型位錯(cuò)構(gòu)成10.為什么只有置換固熔體的兩個(gè)組元之間才能無(wú)限互溶，而間隙固熔體則不能？這是因?yàn)樾纬晒倘垠w時(shí)，熔質(zhì)原子的熔入會(huì)使熔劑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變，從而使體系能量升高。熔質(zhì)與熔劑原子尺寸相

3、差越大，點(diǎn)陣畸變的程度也越大，則畸變能越高，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越低，熔解度越小。一般來(lái)說(shuō)，間隙固熔體中熔質(zhì)原子引起的點(diǎn)陣畸變較大，故不能無(wú)限互溶，只能有限熔解。綜合題1.  作圖表示立方晶體的（123）（0 -1 -2）（421）晶面及-102-211346晶向。2. 寫(xiě)出立方晶體中晶向族<100>，<110>，<111>等所包括的等價(jià)晶向。3.  寫(xiě)出立方晶體中晶面族100，110，111，112等所包括的等價(jià)晶面。4.總結(jié)3種典型的晶體結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)特征 。5. 在立方晶系中畫(huà)出以001為晶帶軸的所有晶面。6. 面心立方晶

4、體的(100),(110),(111)等晶面的面間距和面密度，并指出面間距最大的面。7. Ni 的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu)，其原子半徑為r =0.1243求Ni 的晶格常數(shù)和密度。8. Mo的晶體結(jié)構(gòu)為體心立方結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)a=0.3147nm，試求Mo的原子半徑r。9. 在Fe中形成1mol 空位的能量為104. 67kJ，試計(jì)算從20升溫至850時(shí)空位數(shù)目增加多少倍?10. 判斷下列位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行。 1) a/210-1+a/6-121a/311-1 2) a100a/2101+a/210-1    3) a/3112+a/2111a/611-1 4) a1

5、00a/2111+a/21-1-111. 若面心立方晶體中有b=a/2-101的單位位錯(cuò)及b=a/612-1的不全位錯(cuò)，此二位錯(cuò)相遇產(chǎn)生位錯(cuò)反應(yīng)。 1)  問(wèn)此反應(yīng)能否進(jìn)行？為什么？ 2)  寫(xiě)出合成位錯(cuò)的柏氏矢量，并說(shuō)明合成位錯(cuò)的類型。12.已知柏氏矢量b=0.25nm，如果對(duì)稱傾側(cè)晶界的取向差=1°及10°，求晶界上位錯(cuò)之間的距離。從計(jì)算結(jié)果可得到什么結(jié)論？13. 計(jì)算fcc和bcc晶體中四面體間隙及八面體間隙的大小(用原子半徑尺表示)，并注明間隙中心坐標(biāo)。 指出溶解在-Fe中C原子所處的位置，若此位置全部被C原子占據(jù)，那么，間在此情況下，

6、-Fe能溶解C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為多少?實(shí)際上碳在鐵中的最大溶解質(zhì)量分?jǐn)?shù)是多少?二者在數(shù)值上有差異的原因是什么?14.試從晶體結(jié)構(gòu)的角度，說(shuō)明間隙固溶體、間隙相及間隙化合物之間的區(qū)別。15.何謂玻璃？從內(nèi)部原子排列和性能上看，非晶態(tài)和晶態(tài)物質(zhì)主要區(qū)別何在?16.有序合金的原子排列有何特點(diǎn)？這種排列和結(jié)合鍵有什么關(guān)系？為什么許多有序合金在高溫下變成無(wú)序？17.試分析H、N、C、B在Fe和Fe中形成固熔體的類型、存在位置和固溶度（摩爾分?jǐn)?shù)）。各元素的原子半徑如下：H為0.046nm，N為0.071nm，C為0.077nm，B為0.091nm，F(xiàn)e為0.124nm， Fe為0.126 nm。18.試述結(jié)晶相

7、變的熱力學(xué)條件、動(dòng)力學(xué)條件、能量及結(jié)構(gòu)條件。 19.什么叫臨界晶核？它的物理意義及與過(guò)冷度的定量關(guān)系如何？ 20. 試分析單晶體形成的基本條件。 21.鑄件組織有何特點(diǎn)？ 22.液體金屬凝固時(shí)都需要過(guò)冷，那么固態(tài)金屬熔化時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱，為什么？ 23.欲獲得金屬玻璃，為什么一般選用液相線很陡，從而有較低共晶溫度的二元系？24.比較說(shuō)明過(guò)冷度、臨界過(guò)冷度、動(dòng)態(tài)過(guò)冷度等概念的區(qū)別。 25.分析純金屬生長(zhǎng)形態(tài)與溫度梯度的關(guān)系。26.簡(jiǎn)述純金屬晶體長(zhǎng)大的機(jī)制。 27. 指出下列概念的錯(cuò)誤之處，并改正。 (1)所謂過(guò)冷度，是指結(jié)晶時(shí)，在冷卻曲線上出現(xiàn)平臺(tái)的溫度與熔點(diǎn)之差；而動(dòng)態(tài)過(guò)冷度是指結(jié)晶過(guò)程中，實(shí)

8、際液相的溫度與熔點(diǎn)之差。 (2)金屬結(jié)晶時(shí)，原子從液相無(wú)序排列到固相有序排列，使體系熵值減少，因此是一個(gè)自發(fā)過(guò)程。 (3)在任何溫度下，液體金屬中出現(xiàn)的最大結(jié)構(gòu)起伏都是晶胚。 (4)在任何溫度下，液相中出現(xiàn)的最大結(jié)構(gòu)起伏都是核。(5)所謂臨界晶核，就是體系自由能的減少完全補(bǔ)償表面自由能的增加時(shí)的晶胚的大小。(6)在液態(tài)金屬中，凡是涌現(xiàn)出小于臨界晶核半徑的晶胚都不能成核，但是只要有足夠的能量起伏提供形核功，還是可以成核的。(7)測(cè)定某純金屬鑄件結(jié)晶時(shí)的最大過(guò)冷度，其實(shí)測(cè)值與用公式T=0.2Tm計(jì)算值基本一致。 (8) 某些鑄件結(jié)晶時(shí)，由于冷卻較快，均勻形核率N1提高，非均勻形核率N2也

9、提高，故總的形核率為N= N1 +N2。(9) 若在過(guò)冷液體中，外加10 000顆形核劑，則結(jié)晶后就可以形成10 000顆晶粒。(10) 從非均勻形核功的計(jì)算公式A非A均中可以看出，當(dāng)潤(rùn)濕角00時(shí)，非均勻形核的形核功最大。(11) 為了生產(chǎn)一批厚薄懸殊的砂型鑄件，且要求均勻的晶粒度，則只要在工藝上采取加形核劑就可以滿足。(12) 非均勻形核總是比均勻形核容易，因?yàn)榍罢呤且酝饧淤|(zhì)點(diǎn)為結(jié)晶核心，不象后者那樣形成界面，而引起自由能的增加。(13) 在研究某金屬細(xì)化晶粒工藝時(shí)，主要尋找那些熔點(diǎn)低、且與該金屬晶格常數(shù)相近的形核劑，其形核的催化效能最高。 (14) 純金屬生長(zhǎng)時(shí)，無(wú)論液固界面呈粗

10、糙型或者是光滑型，其液相原子都是一個(gè)一個(gè)地沿著固相面的垂直方向連接上去。 (15) 無(wú)論溫度如何分布，常用純金屬生長(zhǎng)都是呈樹(shù)枝狀界面。(16) 氮化銨和水溶液與純金屬結(jié)晶終了時(shí)的組織形態(tài)一樣，前者呈樹(shù)枝晶，后者也呈樹(shù)枝晶。 (17) 人們是無(wú)法觀察到極純金屬的樹(shù)枝狀生長(zhǎng)過(guò)程，所以關(guān)于樹(shù)枝狀的生長(zhǎng)形態(tài)僅僅是一種推理。(18) 液體純金屬中加入形核劑，其生長(zhǎng)形態(tài)總是呈樹(shù)枝狀。(19) 純金屬結(jié)晶時(shí)若呈垂直方式長(zhǎng)大，其界面時(shí)而光滑，時(shí)而粗糙，交替生長(zhǎng)。 (20) 從宏觀上觀察，若液固界面是平直的稱為光滑界面結(jié)構(gòu)，若是金屬鋸齒形的稱為粗糙界面結(jié)構(gòu)。 (21) 純金屬結(jié)晶時(shí)以樹(shù)枝狀形態(tài)生長(zhǎng)，或以平面狀形

11、態(tài)生長(zhǎng)，與該金屬的熔化熵?zé)o關(guān)。(22)  金屬結(jié)晶時(shí)，晶體長(zhǎng)大所需要的動(dòng)態(tài)過(guò)冷度有時(shí)還比形核所需要的臨界過(guò)冷度大。解析：1. 2. <100>100十010+001， 共3個(gè)等價(jià)晶向。<110>110十-110+101+-101+011+0-11， 共6個(gè)等價(jià)晶向。<111>111+-111+1-11+11-1， 共4個(gè)等價(jià)晶向。3. 100(100)+(010)+(001)， 3個(gè)等價(jià)面。110(110)+(-110)+(101)+ (-101)+(011)+(0-11)， 共6個(gè)等價(jià)面。111(111)+(-111)+(1-11)+(11-1)

12、， 共4個(gè)等價(jià)面。112=(112)+(-112)+(1-12)+(11-2)+(121)+(-121)+(1-21)+(12-1)+(211)+(-211)+ (2-11)+(21-1) 共12個(gè)等價(jià)面。  4. 5. 晶帶軸uvw與該晶帶的晶面(hkl)之間存在以下關(guān)系: hu+kv+lw=0; 將晶帶軸001代人，則 h*0+k*0+l*1=0;當(dāng)l=0時(shí)對(duì)任何h,k取值均能滿足上式，故晶帶軸001的所有晶帶面的晶面指數(shù)一般形式為(hk0).6.在面心立方晶體中，當(dāng)(hkl)不全為奇數(shù)或偶數(shù)時(shí)，有附加面。從上面計(jì)算結(jié)果得知，原子排列最密排的(111)晶面的面間距最大7.8. 9

13、. 10. (1) 能。 幾何條件：b前b后； 能量條件：b前2>b后2 (2) 不能。 能量條件：b前2b后2，兩邊能量相等。(3) 不能。幾何條件：b前a/b557， b后a/b11-1，不能滿足。(4) 不能。能量條件：b前2  < b后2，即反應(yīng)后能量升高 。 11. (1) 能夠進(jìn)行。 因?yàn)榧葷M足幾何條件：b前b后，又滿足能量條件：b前2>b后2(2) b合a/3-111；該位錯(cuò)為弗蘭克不全位錯(cuò)。 12.當(dāng)1°，D14 nm；10°，D1.4 nm時(shí)，即位錯(cuò)之間僅有56個(gè)原子間距，此時(shí)位錯(cuò)密度太大，說(shuō)明當(dāng)角較大時(shí)，該

14、模型已不適用。13. fcc八面體間隙半徑: 間隙中心坐標(biāo)為：1/2,1/2,1/2 fcc四面體間隙半徑：間隙中心坐標(biāo)為：3/4,1/4,3/4 bcc八面體間隙半徑：間隙中心坐標(biāo)為：1/2,1/2,1 bcc四面體間隙半徑： -Fe為fcc結(jié)構(gòu)，八面體間隙半徑較大，所以-Fe中的C原子一般處于八面體間隙位置。 由于fcc結(jié)構(gòu)中八面體間隙數(shù)與原子數(shù)相等，若此類位置全部被C原子占據(jù)，則-Fe中C的原子數(shù)分?jǐn)?shù)為50%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17. 6%。而實(shí)際上C在-Fe中 最大質(zhì)且分?jǐn)?shù)為 2. 11%，大大小于理論值，這是因?yàn)镃原子半徑為0. 077nm，大于八面體間隙半徑(0. 054nm) ,所以碳的

15、溶人會(huì)引起-Fe晶格畸變，這就妨礙了碳原子進(jìn)一步的溶人。14. 溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱為間隙固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)原子通常是原子半徑小于0.1nm的非金屬元素，H,B,C,N,O等。間隙固溶體保持母相(溶劑)的晶體結(jié)構(gòu)，其成分可在一定固溶度極限值內(nèi)波動(dòng)，不能用分子式表示。間隙相和間隙化合物屬原子尺寸因素占主導(dǎo)地位的中間相。它們顯然也是原子半徑較小的非金屬元素占據(jù)晶格的間隙，然而間隙相、間隙化合物的晶格與組成他們的任一組元晶格都不相同。它們的成分可在一定范圍內(nèi)波動(dòng).但組成它們的組元大致都具有一定的原子組成比，可用化學(xué)分子式來(lái)表示。 當(dāng)RB/RA<0.59時(shí)，通常形

16、成間隙相，其結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)，具有極高的熔點(diǎn)和硬度; 當(dāng)RB/RA>0.59時(shí)，則形成間隙化合物，其結(jié)構(gòu)為復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。15. 所謂玻璃，是指具有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的非晶態(tài)固體。玻璃與其他非晶態(tài)的區(qū)別就在于有無(wú)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。玻璃態(tài)也指非晶態(tài)金屬和合，它實(shí)際上是一種過(guò)冷狀態(tài)液體金屬。 從內(nèi)部原子排列的特征來(lái)看，晶體結(jié)構(gòu)的基本特征是原子在三維空間呈周期性排列，即存在長(zhǎng)程有序，而非晶體中的原子排列卻無(wú)長(zhǎng)程有序的特點(diǎn)。從性能上看，晶體具有固定熔點(diǎn)和各向異性，而非晶體則無(wú)固定熔點(diǎn)，且系各向同性。16.有序固熔體，其中各組元原子分別占據(jù)各自的布拉菲點(diǎn)陣稱為分點(diǎn)陣，整個(gè)固熔體就是由各組元的分點(diǎn)陣組成

17、的復(fù)雜點(diǎn)陣，也叫超點(diǎn)陣或超結(jié)構(gòu)。這種排列和原子之間的結(jié)合能(鍵)有關(guān)。結(jié)合能愈大，原子愈不容易結(jié)合。如果異類原子間結(jié)合能小于同類原子間結(jié)合能，即EAB < (EAA十EBB)/2， 則熔質(zhì)原子呈部分有序或完全有序排列。有序化的推動(dòng)力是混合能參量 (mAB1/2(EAA+EBB)m < 0，而有序化的阻力則是組態(tài)熵；升溫使后者對(duì)于自由能的貢獻(xiàn)(-TS)增加，達(dá)到某個(gè)臨界溫度以后，則紊亂無(wú)序的固熔體更為穩(wěn)定，有序固熔體消失，而變成無(wú)序固熔體。 17. -Fe為體心立方點(diǎn)陣，致密度雖然較小，但是它的間隙數(shù)目多且分散，因而間隙半徑很小，r四=0.291，R0.0361nm；r八0.154，

18、R0.0191nm。H，N，C，B等元素熔人。 -Fe中形成間隙固熔體，由于尺寸因素相差很大，所以固熔度(摩爾分?jǐn)?shù))都很小。例如N在-Fe中的固熔度(摩爾分?jǐn)?shù))在590時(shí)達(dá)到最大值，約為N0.1×10-2，在室溫時(shí)降至N0.001×10-2；C在-Fe中的固溶度(摩爾分?jǐn)?shù))在727時(shí)達(dá)最大值，僅為C0.02l8×10-2，在室溫時(shí)降至C0.006×10-2。 所以，可以認(rèn)為碳原子在室溫幾乎不熔于-Fe中，微量碳原子僅偏聚在位錯(cuò)等晶體缺陷附近。假若碳原子熔入-Fe中時(shí)，它的位置多在-Fe的八面體間隙中心，因?yàn)?Fe中的八面體間隙是不對(duì)稱的，形為扁八面體，1

19、00方向上間隙半徑r0.154R，而在110方向上，r0.633R，當(dāng)碳原子熔入時(shí)只引起一個(gè)方向上的點(diǎn)陣畸變。硼原子較大，熔人間隙更為困難，有時(shí)部分硼原子以置換方式熔人。 氫在-Fe中的固熔度(摩爾分?jǐn)?shù))也很小，且隨溫度下降時(shí)迅速降低。以上元素在-Fe中的固熔度(摩爾分?jǐn)?shù))較大一些。這是因?yàn)?Fe具有面心立方點(diǎn)陣，原子堆積致密，間隙數(shù)目少，故間隙半徑較大：rA0.414，R0.0522nm；r四0.225，R0.0284 nm。故上述原子熔入時(shí)均處在八面體間隙的中心。如碳在-Fe中最大固熔度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為c2.1×10-2；氮在-Fe中的最大固熔度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))約為N2.8×

20、10-2。18.分析結(jié)晶相變時(shí)系統(tǒng)自由能的變化可知，結(jié)晶的熱力學(xué)條件為G<0；由單位體積自由能的變化可知，只有T>0，才有GB<0。即只有過(guò)冷，才能使G<0。動(dòng)力學(xué)條件為液固界面前沿液體的溫度T<Tm(熔點(diǎn))，即存在動(dòng)態(tài)過(guò)冷。由臨界晶核形成功A1/3S可知，當(dāng)形成一個(gè)臨界晶核時(shí)，還有13的表面能必須由液體中的能量起伏來(lái)提供。液體中存在的結(jié)構(gòu)起伏，是結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生晶核的基礎(chǔ)。因此，結(jié)構(gòu)起伏是結(jié)晶過(guò)程必須具備的結(jié)構(gòu)條件。 19. 根據(jù)自由能與晶胚半徑的變化關(guān)系，可以知道半徑r<rk的晶胚不能成核； r>rk的晶胚才有可能成核；而rrk的晶胚既可能消失，也可能穩(wěn)

21、定長(zhǎng)大。因此，半徑為rk的晶胚稱為臨界晶核。其物理意義是，過(guò)冷液體中涌現(xiàn)出來(lái)的短程有序的原子團(tuán)，當(dāng)其尺寸rrk時(shí)，這樣的原子團(tuán)便可成為晶核而長(zhǎng)大。臨界晶核半徑rk，其大小與過(guò)冷度有關(guān)，則有20.形成單晶體的基本條件是使液體金屬結(jié)晶時(shí)只產(chǎn)生一個(gè)核心(或只有一個(gè)核心能夠長(zhǎng)大)并長(zhǎng)大成單晶體。 21. 在鑄錠組織中，一般有三層晶區(qū)：（1）最外層細(xì)晶區(qū)。其形成是由于模壁的溫度較低，液體的過(guò)冷度交大，因此形核率較高。（2）中間為柱狀晶區(qū)。其形成是由于模壁的溫度升高，晶核的成長(zhǎng)速率大于晶核的形核率，且沿垂直于模壁風(fēng)向的散熱較為有利。在細(xì)晶區(qū)中取向有利的晶粒優(yōu)先生長(zhǎng)為柱狀。（3）中心為等軸晶區(qū)。其形成是由于

22、模壁溫度進(jìn)一步升高，液體過(guò)冷度進(jìn)一步降低，剩余液體的散熱方向性已不明顯，處于均勻冷卻狀態(tài)；同時(shí)，未熔雜質(zhì)、破斷枝晶等易集中于剩余液體中，這些都促使了等軸晶的形成。應(yīng)該指出，鑄錠的組織并不是都具有3層晶區(qū)。由于凝固條件的不同，也會(huì)形成在鑄錠中只有某一種晶區(qū)，或只有某兩種晶區(qū)。23.23. 金屬玻璃是通過(guò)超快速冷卻的方法，抑制液固結(jié)晶過(guò)程，獲得性能異常的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。玻璃是過(guò)冷的液體。這種液體的黏度大，原子遷移性小，因而難于結(jié)晶，如高分子材料(硅酸鹽、塑料等)在一般的冷卻條件下，便可獲得玻璃態(tài)。金屬則不然。由于液態(tài)金屬的黏度低，冷到液相線以下便迅速結(jié)晶，因而需要很大的冷卻速度(估計(jì)>1010s

23、)才能獲得玻璃態(tài)。為了在較低的冷速下獲得金屬玻璃，就應(yīng)增加液態(tài)的穩(wěn)定性，使其能在較寬的溫度范圍存在。 實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)液相線很陡從而有較低共晶溫度時(shí)，就能增加液態(tài)的穩(wěn)定性，故選用這樣的二元系(如FeB，F(xiàn)eC，hP，F(xiàn)eSi等)。為了改善性能，可以加入一些其他元素(如Ni，Mo，Cr，Co等)。24. 實(shí)際結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度之間的溫度差，稱為過(guò)冷度(TTm一Tn)。 它是相變熱力學(xué)條件所要求的，只有AT>0時(shí)，才能造成固相的自由能低于液相自由能的條件，液、固相間的自由能差便是結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力。過(guò)冷液體中，能夠形成等于臨界晶核半徑的晶胚時(shí)的過(guò)冷度，稱為臨界過(guò)冷度(T*)。顯然，當(dāng)實(shí)際過(guò)冷度T&

24、lt;T*時(shí)，過(guò)冷液體中最大的晶胚尺寸也小于臨界晶核半徑，故難于成核；只有當(dāng)T>T*時(shí)，才能均勻形核。所以，臨界過(guò)冷度是形核時(shí)所要求的。晶核長(zhǎng)大時(shí)，要求液固界面前沿液體中有一定的過(guò)冷，才能滿足 (dNdt)F>(dNdt)M，這種過(guò)冷稱為動(dòng)態(tài)過(guò)冷度(TkTm一Ti)，它是晶體長(zhǎng)大的必要條件。25.純金屬生長(zhǎng)形態(tài)是指晶體宏觀長(zhǎng)大時(shí)界面的形貌。界面形貌取決于界面前沿液體中的溫度分布。 (1)   平面狀長(zhǎng)大：當(dāng)液體具有正溫度梯度時(shí)，晶體以平直界面方式推移長(zhǎng)大。此時(shí)，界面上任何偶然的、小的凸起伸入液體時(shí)，都會(huì)使其過(guò)冷度減小，長(zhǎng)大速率降低或停止長(zhǎng)大，而被周?chē)?/p>

25、分趕上，因而能保持平直界面的推移。長(zhǎng)大中晶體沿平行溫度梯度的方向生長(zhǎng)，或沿散熱的反方向生長(zhǎng)，而其他方向的生長(zhǎng)則受到抑制。(2)   樹(shù)枝狀長(zhǎng)大：當(dāng)液體具有負(fù)溫度梯度時(shí)，在界面上若形成偶然的凸起伸入前沿液體時(shí)，由于前方液體有更大的過(guò)冷度，有利于晶體長(zhǎng)大和凝固潛熱的散失，從而形成枝晶的一次軸。 一個(gè)枝晶的形成，其潛熱使鄰近液體溫度升高，過(guò)冷度降低，因此，類似的枝晶只在相鄰一定間距的界面上形成，相互平行分布。在一次枝晶處的溫度比枝晶間溫度要高，如附圖27(a)中所示的AA斷面上丁A>丁n，這種負(fù)溫度梯度使一次軸上又長(zhǎng)出二次軸分枝，如附圖2.7(b)所示。 同樣，還

26、會(huì)產(chǎn)生多次分枝。枝晶生長(zhǎng)的最后階段，由于凝固潛熱放出，使枝晶周?chē)囊后w溫度升高至熔點(diǎn)以上，液體中出現(xiàn)正溫度梯度，此時(shí)晶體長(zhǎng)大依靠平界面方式推進(jìn)，直至枝晶間隙全部被填滿為止。26. 晶體長(zhǎng)大機(jī)制是指晶體微觀長(zhǎng)大方式，它與液固界面結(jié)構(gòu)有關(guān)。具有粗糙界面的物質(zhì)，因界面上約有50的原子位置空著，這些空位都可接受原子，故液體原子可以單個(gè)進(jìn)入空位，與晶體相連接，界面沿其法線方向垂直推移，呈連續(xù)式長(zhǎng)大。具有光滑界面的晶體長(zhǎng)大，不是單個(gè)原子的附著，而是以均勻形核的方式，在晶體學(xué)小平面界面上形成一個(gè)原子層厚的二維晶核與原界面間形成臺(tái)階，單個(gè)原子可以在臺(tái)階上填充，使二維晶核側(cè)向長(zhǎng)大，在該層填滿后，則在新的界面上形

27、成新的二維晶核，繼續(xù)填滿，如此反復(fù)進(jìn)行。若晶體的光滑界面存在有螺型位錯(cuò)的露頭，則該界面成為螺旋面，并形成永不消失的臺(tái)階，原子附著到臺(tái)階上使晶體長(zhǎng)大。27. (1)在冷卻曲線上出現(xiàn)的實(shí)際結(jié)晶溫度與熔點(diǎn)之差液-固界面前沿液態(tài)中的溫度與熔點(diǎn)之差。(2)使體系自由能減小(3)在過(guò)冷液體中，液態(tài)金屬中出現(xiàn)的(4)在一定過(guò)冷度下(5)就是體系自由能的減少能夠補(bǔ)償23表面自由能(6)不能成核，即便是有足夠的能量起伏提供，還是不能成核。(7)測(cè)定某純金屬均勻形核時(shí)的有效過(guò)冷度(8)那么總的形核率NN2。(9)則結(jié)晶后就可以形成數(shù)萬(wàn)顆晶粒。(10)非均勻形核的形核功最小。(11)則只要在工藝上采取對(duì)厚處加快冷卻

28、(如加冷鐵)就可以滿足。(12)因?yàn)榍罢呤且酝饧淤|(zhì)點(diǎn)為基底，形核功小(13)主要尋找那些熔點(diǎn)高，且(14)若液固界面呈粗糙型，則其液相原子(15)只有在負(fù)溫度梯度條件下，常用純金屬(16)結(jié)晶終了時(shí)的組織形態(tài)不同，前者呈樹(shù)枝晶(枝間是水)，后者呈一個(gè)個(gè)(塊狀)晶粒。(17)生長(zhǎng)過(guò)程，但可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法，如把正在結(jié)晶的金屬剩余液體倒掉，或者整體淬火等進(jìn)行觀察，所以關(guān)于樹(shù)枝狀生長(zhǎng)形態(tài)不是一種推理。(18)其生長(zhǎng)形態(tài)不會(huì)發(fā)生改變。(19)其界面是粗糙型的。(20)平直的稱為粗糙界面結(jié)構(gòu)鋸齒形的稱為平滑界面結(jié)構(gòu)。(21)因還與液固界面的結(jié)構(gòu)有關(guān)，即與該金屬的熔化熵有關(guān)。(22)增加，但因金屬的過(guò)冷能力

29、小，故不會(huì)超過(guò)某一極大值相圖綜合題1.在圖430所示相圖中，請(qǐng)指出： (1)   水平線上反應(yīng)的性質(zhì)； (2)   各區(qū)域的組織組成物； (3)   分析合金I，II的冷卻過(guò)程； (4)   合金工，II室溫時(shí)組織組成物的相對(duì)量表達(dá)式。2.固溶體合金的相圖如下圖所示，試根據(jù)相圖確定：成分為(B)=40%的合金首先凝固出來(lái)的固體成分;若首先凝固出來(lái)的固體成分含 (B)=60%，合金的成分為多少?成分為(B)=70%寫(xiě)的合金最后凝固的液體成分;合金成分為(B)=50%，凝固到某溫度時(shí)液相含有(B)=40%，固體含有(B

30、)=80%，此時(shí)液體和固體各占多少?3.證明固溶體合金凝固時(shí)，因成分過(guò)冷而產(chǎn)生的最大過(guò)冷度為： 最大過(guò)冷度離液固界面的距離為：式中m 液相線斜率；CoCu 合金成分；K 平衡分配系數(shù)； G 溫度梯度；D 擴(kuò)散系數(shù)；R 凝固速率。說(shuō)明：液體中熔質(zhì)分布曲線可表示為：4.指出下列相圖中的錯(cuò)誤，并加以改正。 5. 根據(jù)圖7-8所示的Fe-Fe3C相圖，分別求(C)=2.11%，(C)=30%的二次滲碳體的析出量。 畫(huà)出(C) =4. 3%的冷卻曲線。6. A1-Cu合金相圖如圖7-13所示，設(shè)分配系數(shù)K和液相線斜率均為常數(shù)，試求: (Cu)=1%固溶體進(jìn)行緩慢的正常凝固，當(dāng)凝固分?jǐn)?shù)為50%時(shí)所凝固出的

31、固體成分;經(jīng)過(guò)一次區(qū)域熔化后在x-5處的固體成分，取熔區(qū)寬度L=0.5; 測(cè)得鑄件的凝固速率R = 3×10-4 cm/s，溫度梯度G= 30/cm，擴(kuò)散系數(shù)D= 3×10-5 cm/s時(shí)，合金凝固時(shí)能保持平面界面的最大含銅量。7.根據(jù)圖7-9所示的A1-Si共晶相圖，試分析圖中(a)，(b)，(c)3個(gè)金相組織屬什么成分并說(shuō)明理由。指出細(xì)化此合金鑄態(tài)組織的途徑。 8. 青銅( Cu-Sn)和黃銅C Cu-fin)相圖如圖7-15(a)，(b)所示:敘述Cu-10% Sn合金的不平衡冷卻過(guò)程，并指出室溫時(shí)的金相組織。比較Cu-10% Sn合金鑄件和Cu-30%合金鑄件的鑄造

32、性能及鑄造組織，說(shuō)明Cu-10% Sn合金鑄件中有許多分散砂眼的原因。 (Sn分別為2%，11%和15%的青銅合金，哪一種可進(jìn)行壓力加工?哪種可利用鑄造法來(lái)制造機(jī)件?9.如下圖所示，已知A，B，C三組元固態(tài)完全不互溶，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別84%A,，10%B，10%C的O合金在冷卻過(guò)程中將進(jìn)行二元共晶反應(yīng)和三元共晶反應(yīng)，在二元共晶反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，該合金液相成分(a點(diǎn))為60%A，20%B，20%C，而三元共晶反應(yīng)開(kāi)始時(shí)的液相成分(E點(diǎn))為50%A，10%B，40%C。 試計(jì)算A%，(A-+-B)%和(A+B+C)%的相對(duì)量。 寫(xiě)出圖中I和P合金的室溫平衡組織。10. 根據(jù)下圖所示，Al-Mg-Mn系富Al

33、一角的投影圖， 寫(xiě)出圖中兩個(gè)四相反應(yīng)。 寫(xiě)出圖中合金和的凝固過(guò)程。解析：1.答案：(1)高溫區(qū)水平線為包晶線，包晶反應(yīng)： Lj+kn     中溫區(qū)水平線為共晶線，共晶反應(yīng)： Ldg+h  (2)各區(qū)域組織組成物如圖430中所示。  (3)I合金的冷卻曲線和結(jié)晶過(guò)程如附圖2.9所示。 12，均勻的液相L。    23勻晶轉(zhuǎn)變，L不斷結(jié)晶出相。    33，發(fā)生包品反應(yīng)L+。    34，剩余液相繼續(xù)結(jié)晶為。    4，凝固完成

34、，全部為。    45，為單一相，無(wú)變化。    56，發(fā)生脫溶轉(zhuǎn)變II。室溫下的組織為+II。 （4） II合金的冷卻曲線和結(jié)晶過(guò)程如附圖2.10所示。    12，均勻的液相L。    23，結(jié)晶出初，隨溫度下降相不斷析出，液相不斷減少。    33，剩余液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變L+。    34，II，II，室溫下的組織為。初+（+）共+II  (4)室溫時(shí)，合金I、II組織組成物的相對(duì)量可由杠桿定

35、律求得。  合金I： 合金II： 2. 在合金成分線與液相線相交點(diǎn)作水平線，此線與固相線 交點(diǎn)的合金成分即為首先凝固出來(lái)的固體成分:80%B。 作60%B垂直線與a固相線相交點(diǎn)的水平線，此線與液相線 L相交點(diǎn)的成分即為合金成分:15%B。 原理同上:合金成分20%B。 利用杠桿定律: 4. 1）任何溫度下所作的連接線兩端必須分別相交于液相線和固相線，不能相交于單一液相線或單一固相線。 2）A組元的凝固溫度恒定，所以液、固相線在A成分處相交于一點(diǎn)。 3）在兩元系的三相平衡反應(yīng)中，三相的成分是惟一的。 4）在兩元系只能出現(xiàn)三相平衡反應(yīng)。5. 6.根據(jù)已知條件，由相圖解得： 7. (1)

36、共晶組織，因?yàn)閮上嘟惶嫔舍槧罱M織， 過(guò)共晶組織，因?yàn)槌跎酁橛行】堂鎵K晶形，應(yīng)為非金屬結(jié)晶特征，故此過(guò)共晶合金的初生相為Si。 亞共晶組織，因?yàn)槌跎酁闃?shù)枝晶，應(yīng)為金屬結(jié)晶特征，故為亞共晶合金的初生相(Al)固溶體。 (2)可采用變質(zhì)劑(鈉鹽)或增加冷卻速率來(lái)細(xì)化Al-Si合金的鑄態(tài)組織。8. 在不平衡凝固條件下，首先將形成樹(shù)枝狀的晶體；隨著凝固的進(jìn)行，當(dāng)液體中溶質(zhì)富集處達(dá)到包晶成分時(shí)，將產(chǎn)生包晶轉(zhuǎn)變：L+，從而在枝晶間形成相;如果冷速不是特別快，可能繼續(xù)冷卻至586時(shí)發(fā)生共析反應(yīng)：+，甚至冷卻至520時(shí)再次發(fā)生共析反應(yīng)：+。 因此鑄件的最后組織將是在a的枝晶間分布著相，或者分布著（+）共析體，也可能為共析體（+）。 Cu-3