材料科學基礎答案

1、第三章1.試述結晶相變的熱力學條件、動力學條件、能量及結構條件。2.如果純銀凝固時的最大過冷度與其熔點（tm=1453C）的比值為0.18,試求其凝固驅(qū)動力。（!=-18075J/mol）3.已知Cu的熔點tm=1083C,熔化潛熱Lm=1.88103J/cm3,比表面能o=1.44105J/cm&（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)量為63.5,密度為8.9g/cm3,求臨界晶核中的原子數(shù)。4.試推導杰克遜（K.A.Jackson）方程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

2、晶的聚乙烯（PE）其密度為1.01g/cm3低密度乙烯（LDPE）為0.92g/cm3,而高密度乙烯（HDPE）為0.96g/cm3,試計算在LDPE及HDPE中資自由空間”的大小。8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？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)與溫度梯度的關系。11 .什么叫臨界晶核？它的物理意義及與過冷度的定量關系如何？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，并改正。（1）所謂過冷度，是指結晶時，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

3、是指結晶過程中，實際液相的溫度與熔點之差。（2）金屬結晶時，原子從液相無序排列到固相有序排列，使體系嫡值減少，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)的最大結構起伏都是晶胚。(4)在任何溫度下，液相中出現(xiàn)的最大結構起伏都是核。(5)所謂臨界晶核，就是體系自由能的減少完全補償表面自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)測定某純金屬鑄件結晶時的最大過冷度，其實測值與用公式AT=0.2Tm計算值基本一致。(8)某些鑄件結晶時，由于冷卻較快，均勻形核率N1提高，非均勻形核率N2也

4、提高，故總的形核率為N=N1+N2。(9)若在過冷液體中，外加10000顆形核劑，則結晶后就可以形成10000顆晶粒。(10)從非均勻形核功的計算公式人非=人均中可以看出，當潤濕角0=00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，因為前者是以外加質(zhì)點為結晶核心，不象后者那樣形成界面，而引起自由能的增加。(13)在研究某金屬細化晶粒工藝時，主要尋找那些熔點低、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)純金屬生長時，無論液-固界面呈粗糙型或者是光滑型，其液相

5、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)氮化鏤和水溶液與純金屬結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屬的樹枝狀生長過程，所以關于樹枝狀的生長形態(tài)僅僅是一種推理。(18)液體純金屬中加入形核劑，其生長形態(tài)總是呈樹枝狀(19)純金屬結晶時若呈垂直方式長大，其界面時而光滑，時而粗糙，交替生長觀上觀察，若液-固界面是平直的稱為光滑界面結構，（20）從宏若是金屬鋸齒形的稱為粗糙界面結構。（21）純金屬結晶時以樹枝狀形態(tài)生長，或以平面狀形態(tài)生長，與該金屬的熔化嫡無關。（22）金屬結晶時

6、，晶體長大所需要的動態(tài)過冷度有時還比形核所需要的臨界過冷度大。1.分析結晶相變時系統(tǒng)自由能的變化可知，結晶的熱力學條件為?G<0;由單位體積自由能的變化可知，只有？T>0,才有？GB<0。即只有過冷，才能使？G<0。動力學條件為液一固界面前沿液體的溫度T<TM（熔點），即存在動態(tài)過冷。玻璃是過冷的液體。這種液體的黏度大，原子遷移性小，因而難于結晶，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晶，因而需要很大的冷卻速度（估計金屬玻璃是通過超快速冷卻的方法，抑制液一固結晶過程，獲得性能異常的

7、非晶態(tài)結構。8.HDPE的自由空間為；LDPE的自由空間為7.,說明在熔化時，自由能的變化aG（表面）1010C/s）才能獲得玻璃態(tài)。為了在較低的冷速下獲得金屬玻璃，就應增加液態(tài)的穩(wěn)定性，使其能在較寬的溫度范圍存在。實驗證明，當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FlB,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?一10,C/s的冷速下獲得。9.實際結晶溫度與理論結晶溫度之間的溫度差，稱為過冷度（?T=TmTn）。它是相變熱力學條件所要求的，只有AT>0時，才能造成固相的自由

8、能低于液相自由能的條件，液、固相間的自由能差便是結晶的驅(qū)動力。過冷液體中，能夠形成等于臨界晶核半徑的晶胚時的過冷度，稱為臨界過冷度（？T*）。顯然，當實際過冷度？T<?T*時，過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？T>?T*時，才能均勻形核。所以，臨界過冷度是形核時所要求的。晶核長大時，要求液一固界面前沿液體中有一定的過冷，才能滿足（dN/dt）F>（dN/dt）M,這種過冷稱為動態(tài)過冷度（？丁卜=TmTi）,它是晶體長大的必要條件。10.純金屬生長形態(tài)是指晶體宏觀長大時界面的形貌。界面形貌取決于界面前沿液體中的溫度分布。（1）平面狀長大：當液體具有

9、正溫度梯度時，晶體以平直界面方式推移長大。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，而被周圍部分趕上，因而能保持平直界面的推移。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：當液體具有負溫度梯度時，在界面上若形成偶然的凸起伸入前沿液體時，由于前方液體有更大的過冷度，有利于晶體長大和凝固潛熱的散失，從而形成枝晶的一次軸。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

10、AA斷面上丁A>Tn,這種負溫度梯度使一次軸上又長出二次軸分枝，如附圖2.7（b）所示。同樣，還會產(chǎn)生多次分枝。枝晶生長的最后階段，由于凝固潛熱放出，使枝晶周圍的液體溫度升高至熔點以上，液體中出現(xiàn)正溫度梯度，此時晶體長大依靠平界面方式推進，直至枝晶間隙全部被填滿為止。11.根據(jù)自由能與晶胚半徑的變化關系，可以知道半徑rrk的晶胚才有可能成核；而r=rk的晶胚既可能消失，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，當其尺寸rnrk時，這樣的原子團便可成為晶核而長大。臨界晶核半徑rk,其大小與過冷度有關，則有12.晶體長大機制是指晶體微

11、觀長大方式，它與液一固界面結構有關。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進入空位，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屬結晶時只產(chǎn)生

12、一個核心(或只有一個核心能夠長大)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)使體系自由能減小(3)在過冷液體中，液態(tài)金屬中出現(xiàn)的(4)在一定過冷度(>A了？»(5)就是體系自由能的減少能夠補償2/3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)測定某純金屬均勻形核時的有效過冷度(8)那么總的形核率N=N2。(9)則結晶后就可以形成數(shù)萬顆晶粒。(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)主要尋找那些熔點高，且(14)若液一固界面呈粗糙型，則其液相原子(15)只有在負溫度梯度條件下，常用純金屬(16)結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，