材料相變基礎(chǔ)試題附答案

1、光電材料與器件課程華中科技大學(xué)光電子科學(xué)與工程學(xué)院(徐智謀 教授)“材料相變基礎(chǔ)”試題1. 試述結(jié)晶相變的熱力學(xué)條件、動力學(xué)條件、能最及結(jié)構(gòu)條件。2. 如果純銀凝固時的故犬過冷度與其熔點(=1453C )的比值為0. 18,試求 其凝尚驅(qū)動力。(H=-18075J/mol)3. 已知Cu的熔點t.= 1083C,熔化潛熱U=1.88X103J/cm3,比表面能。=1.44 X105 J/cm3o(1) 試計算Cu在853C均勻形核時的臨界晶核半徑。(2) 已知Cu的相對原子質(zhì)最為63. 5,密度為8. 9g/cm5,求臨界晶核中的原 子數(shù)。4. 試推導(dǎo)杰克遜(K. A. Jackson)方程N

2、kJ=ar(l - x) + x In x + (1 - .v) ln(l 一 x)5. 鑄件組織有何特點？6. 液體金屬凝固時都需要過冷，那么固態(tài)金屬熔化時是否會出現(xiàn)過熱，為什 么？7. 已知完全結(jié)晶的聚乙烯(PE)其密度為1.01g/cm3,低密度乙烯(LDPE)為0. 92 g/cm3,而高密度乙烯(HDPE)為0. 96 g/cm3,試計算在LDPE及HDPE中 “資自由空間”的大小。8. 欲獲得金屈玻璃，為什么一般選用液相線很陡，從而有較低如晶溫度的二元 系？9. 比較說明過冷度、臨界過冷度、動態(tài)過冷度等概念的區(qū)別。10. 分析純金屬生長形態(tài)與溫度梯度的關(guān)系。11什么叫臨界晶核？它的

3、物理意義及與過冷度的定量關(guān)系如何？12. 簡述純金屬晶體長大的機制。13. 試分析單晶體形成的基本條件。14. 指出下列概念的錯誤之處，并改1E。(1) 所謂過冷度，是指結(jié)晶時，在冷卻曲線上出現(xiàn)平臺的溫度與熔點之差; 而動態(tài)過冷度是指結(jié)晶過程中，實際液相的溫度與熔點之差。(2) 金屈結(jié)晶時，原子從液相無序排列到固相有序排列，使體系爛值減少, 因此是一個自發(fā)過程。(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) 所謂臨界貼核，就是體系H由能的減少完全補償表面IT由能的增加時 的晶胚的大小。(6) 在液態(tài)金屬中，凡是涌現(xiàn)出小J

4、：臨界晶核半徑的晶胚都不能成核，但 是只耍有足夠的能量起伏提供形核功，還是可以成核的。(7) 測定某純金屈鑄件結(jié)晶時的放大過冷度，其實測值與用公式AT二0.2T. 計算值基本一致。(8) 某些鑄件結(jié)晶時，由丁冷卻較快，均勻形核率阮提島，非均勻形核率N, 也提高，故總的形核率為N二Nx +N=o(9) 若在過冷液體中，外加10 000顆形核劑，則結(jié)品后就可以形成10 000 顆晶粒。(10) 從非均勻形核功的計算公式陽=A4中可以看出，當(dāng)潤濕角0 =0時，非均勻形核的形核功最大。(11) 為了生產(chǎn)一批厚薄懸殊的砂熨鑄件，且要求均勻的晶粒度，則只耍在匸 藝上采取加形核劑就可以滿足。(12) 非均勻

5、形核總是比均勻形核容易，因為前者是以外加質(zhì)點為結(jié)晶核心, 不象后者那樣形成界面，而引起白由能的增加。(13) 在研究某金屬細化晶粒I藝時，主要尋找那些熔點低、且與該金屬品格 常數(shù)相近的形核劑，其形核的催化效能最高。(14) 純金加生長時，無論液一固界面呈粗糙型或者是光滑型，其液相原子都 是一個一個地沿著固相面的垂直方向連接上去。(15) 無論溫度如何分布，常用純金屬生長都是呈樹枝狀界面。(16) 氮化錢和水溶液與純金屬結(jié)晶終了時的組織形態(tài)一樣，前者呈樹枝晶， 后者也呈樹枝晶。(17) 人們是無法觀察到極純金屈的樹枝狀生長過程，所以關(guān)丁樹枝狀的生長 形態(tài)僅僅是一種推理。(18) 液體純金屬中加入

6、形核劑，其生長形態(tài)總是呈樹枝狀。(19) 純金加結(jié)晶時若呈垂也方式長大，其界面時而光滑，時而粗糙，交替生 長。(20) 從宏觀上觀察，若液一尚界面是平苴的稱為光滑界面結(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)晶時以樹枝狀形態(tài)生長，或以平面狀形態(tài)生長，與該金屬的熔 化埔無關(guān)。金加結(jié)晶時，晶體長大所需耍的動態(tài)過冷度有時還比形核所盂耍的臨 界過冷度大。1. 分析結(jié)帖相變時系統(tǒng)門由能的變化可知，結(jié)品的熱力學(xué)條件為山0；由單位LinTG& =體積門由能的變化Tm 可知，只有“。，才有AGBOo即只有過冷,才能使AG10l0C / s）才能獲得玻璃態(tài)。為了在較低的冷速下獲得 金屬玻璃，就

7、應(yīng)增加液態(tài)的穩(wěn)定性，使其能在較寬的溫度范用存在。實驗證 明，當(dāng)液相線很陡從而有較低共晶溫度時，就能增加液態(tài)的穩(wěn)定性，故選用 這樣的二元系（如FeB, FeC, hP, FeSi等）。為了改善性能，可以加 入一些其他元素（如Ni, Mo, Cr, Co等）。這類金屬玻璃可以在10 10 C/s的冷速 下獲得。9. 實際結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度之間的溫度差，稱為過冷度（AT=Tm-Tn）o 它是相變熱力學(xué)條件所耍求的，只有AT0時，才能造成固相的由能低丁液 相自由能的條件，液、固相間的白由能差便是結(jié)晶的驅(qū)動力。過冷液體中，能夠形成等J：臨界品核半徑的晶胚時的過冷度，稱為臨界過冷 lit （AT*）

8、o顯然，當(dāng)實際過冷時，過冷液體中最大的晶胚尺寸也小 丁臨界晶核半徑，故難于成核；只有當(dāng)ATAT*時，才能均勻形核。所以，臨 界過冷度是形核時所耍求的。晶核長大時，耍求液一固界而前沿液體中有一定的過冷，才能滿足（dN/ dt）r （dN/dt）M,這種過冷稱為動態(tài)過冷度（Tlc=Tm Tj,它是晶休長大的 必耍條件。10. 純金屬生長形態(tài)是指晶體宏觀長大時界面的形貌。界面形貌取決J：界面前沿液體中的溫度分布。(1) 平而狀長大：當(dāng)液體具有|E溫度梯度時，晶體以平H界面方式推移長犬。 此時，界面上任何偶然的、小的凸起伸入液體時，都會使其過冷度減小， 長大速率降低或停止長大，而被周用部分趕上，因而能

9、保持平也界面的推 移。長大中晶體沿平行溫度梯度的方向生長，或沿散熱的反方向生長，而 其他方向的生長則受到抑制。(2) 樹枝狀長大：當(dāng)液體具有負溫度梯度時，在界而上若形成偶然的凸起伸 入前沿液體時，由丁前方液體有更大的過冷度，有利丁晶體長大和凝固潛 熱的散火，從而形成枝晶的-次軸。一個枝晶的形成，其潛熱使鄰近液體 溫度升高，過冷度降低，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2. 7 (a) 中所示的AA斷面上丁 AT n,這種負溫度梯度使一次軸上乂長出二次軸 分枝，如附圖2.7(b)所示。同樣，還會產(chǎn)生多次分枝。枝晶生長的最后 階

10、段，由丁凝固潛熱放出，使枝晶周圍的液體溫度升高至熔點以上，液體 屮出現(xiàn)正溫度梯度，此時晶體長大依靠平界而方式推進，血至枝晶間隙全 部被填滿為止。附圖2.7晶體的樹枝狀長大()彰成一次軸；(b形成二次抽11根據(jù)h由能與晶胚半徑的變化關(guān)系，可以知道半徑i*“的晶胚不能成核:!“的晶胚才有可能成核；而r=n的晶胚既可能消欠，也可能穩(wěn)定長大。因 此，半徑為“的晶胚稱為臨界晶核。其物理意義是，過冷液體中涌現(xiàn)出來的 短程有序的原子團，當(dāng)其尺J rrk時，這樣的原子團便可成為晶核而長大。2叭” 1rk =臨界晶核半徑鞏，其大小與過冷度有關(guān)，則有-貞12. 晶體長大機制是指晶體微觀長大方式，它與液一固界面結(jié)構(gòu)

11、有關(guān)。具有粗糙界而的物質(zhì)，因界而上約有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進入空位，與晶體相連接，界面沿其法線方向 垂肖推移，呈連續(xù)式長大。具有光滑界面的晶體長大，不是單個原子的附著，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原子層厚的二維晶核與原界面間形成臺階， 單個原子可以在臺階上填充，使二維晶核側(cè)向長大，在該層填滿后，則在新 的界面上形成新的二維晶核，繼續(xù)填滿，如此反復(fù)進行。若晶體的光滑界面存在有螺型位錯的露頭，則該界面成為螺旋面，并形成永 不消失的臺階，原子附著到臺階上使晶體長大。13. 形成單晶體的基本條件是使液體金屈結(jié)晶時只產(chǎn)生一個核心(或只有

12、一個核心能夠長大)并長大成單晶體。14(1)在冷卻曲線上出現(xiàn)的實際結(jié)晶溫度與熔點之差液-固界面前沿液態(tài)中的溫度與熔點之差。(2) 使體系鬥由能減小(3) 在過冷液體中，液態(tài)金屬中出現(xiàn)的(4) 在一定過冷度(厶了 )下(5) 就是體系H由能的減少能夠補償2 / 3表面H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) 測定某純金屈均勻形核時的有效過冷度那么總的形核率N=N2。(9)則結(jié)晶后就可以形成數(shù)萬顆晶粒。仃0)非均勻形核的形核功最小。(11) 則只耍在工藝上采取對厚處加快冷卻(如加冷鐵)就可以滿足。(12) 因為前者是以外加質(zhì)點為基底，形核功小(13) 主耍尋找那些熔點高，且(14) 若液一固界而呈粗糙型，則其液相原子(15) 只有在負溫度梯度條件下，常用純金屬仃6)結(jié)晶終了時的組織形態(tài)不同，前者呈樹枝晶(枝間是水)，后者呈一 個個(塊狀)晶粒。(17) 生長過程，但可以通.