作業(yè)材料物理習題課

純金屬的凝固凝固：物質(zhì)從液態(tài)冷卻轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程結晶：物質(zhì)從液態(tài)冷卻轉變?yōu)榫w的過程。（物質(zhì)凝固后形成的固體為晶體時，則稱為結晶。）過冷：液態(tài)材料在理論結晶溫度以下仍保持液態(tài)的現(xiàn)象。過冷度：理論結晶溫度與實際結晶溫度之差。△T=Tm-Tn結構起伏（相起伏）：液態(tài)材料中出現(xiàn)的短程有序原子集團的時隱時現(xiàn)現(xiàn)象。能量起伏：系統(tǒng)中微小區(qū)域的能量偏離平均能量水平而高低不一的現(xiàn)象。均勻形核：在過冷液態(tài)金屬中，依靠結構起伏形成大于臨界晶核的晶胚，同時必須從能量起伏中獲得形核功，才能形成穩(wěn)定的晶核。非均勻形核：利用過冷液相中的活性質(zhì)點或固體界面作基底,同時依靠液相中的相起伏和能量起伏來實現(xiàn)的形核。光滑界面：液-固界面上的原子排列較規(guī)則，界面處兩相截然分開。微觀上界面光滑，宏觀上有若干小平面。粗糙界面：液-固界面上的原子排列較混亂，原子分布高低不平整，在幾個原子厚度的界面上，液、固兩相原子各占位置的一半。宏觀上界面平直。臨界形核功：形成臨界晶核時需額外對形核所做的功。長大速度：晶核生長過程中，液固界面在垂直界面方向上單位時間內(nèi)遷移的距離。形核率：單位時間、單位體積液體中形成的晶核數(shù)量。臨界晶核半徑：自由能在晶核徑向上變化為0時，此時的晶核半徑為臨界晶核半徑動態(tài)過冷度：晶核長大所需的界面過冷度。（遠小于形核所需過冷度）柱狀晶：結晶時，固液界面只能在空間中的一個方向自由遷移，其他兩個方向受限制，這樣形成的晶粒稱柱狀晶等軸晶：結晶時，固液界面能夠在空間各個方向自由遷移，這樣形成的晶粒稱為等軸晶樹枝狀晶：結晶時，固液界面將以樹枝方式在空間中遷移，這樣形成的晶粒稱樹枝晶單晶：由一個晶粒組成的晶體非晶態(tài)：在原子尺度上結構無序的材料微晶：晶粒尺寸在微米和納米的超細晶粒準晶：在晶體內(nèi)部原子具有準周期性，介于晶體和非晶體之間的一類晶體。準晶具有完全有序的結構，然而又不具有晶體所應有的平移對稱性2

、當球狀晶核在液相中形成時，系統(tǒng)自由能的變化為求：(1)求臨界晶核半徑(2)證明(為臨界晶核體積)；(3)說明上式的物理意義。變化很小，視為常數(shù)時單位體積自由能：故有：解：由題：故有：解得：臨界形核功臨界晶核體積為所以將代入臨界晶核表面積故有：故有：或將代入

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、試比較均勻形核與非均勻形核的異同點，說明為什么非均勻形核往往比均勻形核更容易進行。相同點：1、形核的驅動力和阻力相同；2、臨界晶核半徑相等；3、形成臨界晶核需要形核功；4、結構起伏和能量起伏是形核的基礎；5、形核需要一個臨界過冷度；6、形核率在達到極大值之前，隨過冷度增大而增加。與均勻形核相比，非均勻形核的特點：1、非均勻形核與固體雜質(zhì)接觸，減少了表面自由能的增加；2、非均勻形核的晶核體積小，形核功小，形核所需結構起伏和能量起伏就??；形核容易，臨界過冷度??；3、非均勻形核時晶核形狀和體積由臨界晶核半徑和接觸角共同決定；臨界晶核半徑相同時，接觸角越小，晶核體積越小，形核越容易；4、非均勻形核的形核率隨過冷度增大而增加，當超過極大值后下降一段然后終止；此外，非均勻形核的形核率還與固體雜質(zhì)的結構和表面形貌有關。4

、何謂動態(tài)過冷度?說明動態(tài)過冷度與晶體生長的關系。在單晶制備時控制動態(tài)過冷度的意義？答:晶核長大所需要的界面過冷度稱為動態(tài)過冷度，用表示;具有光滑界面的物質(zhì)，其

約為1-2℃,具有粗糙界面的物質(zhì)，其

僅為0.01-0.05℃;制備單晶體的基本原理就是保證這個晶核生長成一整塊單晶體，控制動態(tài)過冷度就是可以保證只形成一個晶核，長成一整塊單晶體。5

、分析在負溫度梯度下，液態(tài)金屬結晶出樹枝晶的過程。答:當dT/dx時界面的熱量可以從固液兩相散失，界面移動不只受固相傳熱速率的控制，如果界面某處偶然伸入液相，則進入了△T更大的區(qū)域，可以更大的速率成長，伸入液相中形成一個晶軸，由于晶軸結晶時向兩側液相中放出潛熱，使液相中垂直于晶軸的方向又產(chǎn)生負溫度梯度，這樣晶軸上又會產(chǎn)生二次晶軸，同理二次晶軸上又會生長出三次晶軸，這種生長方式為樹枝狀生長，結晶出樹枝晶

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、在同樣的負溫度梯下，為什么Pb結晶出樹枝狀晶而Si的結晶界面卻是平整的?在同樣的負溫度梯下，Pb是具有粗糙界面的金屬元素。故以連續(xù)的垂直于液固界面方向長成樹枝晶體。而Si為具有光滑界面的非金屬元素Si以不連續(xù)的側向生長成界面平整的晶體。7、實際生產(chǎn)中怎樣控制鑄件的晶粒大小？試舉例說明

答：生產(chǎn)實際中常采用的控制晶粒尺寸的措施有：（1）提高過冷度，如采用導熱性好的金屬模，降低澆注溫度等。（2）變質(zhì)處理，即澆注前向液態(tài)金屬中加入變質(zhì)劑。（3）振動、攪拌，即在澆注和結晶過程中實施振動和攪拌，以提供形核功，增加晶核數(shù)量

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何謂非晶態(tài)金屬?簡述幾種制備非晶態(tài)金屬的方法。非晶態(tài)金屬與晶態(tài)金屬的結構和性能有什么不同。非晶態(tài)金屬材料

是指在原子尺度上結構無序的一種金屬材料。大部分金屬材料具有很高的有序結構，原子呈現(xiàn)周期性排列（晶體），表現(xiàn)為平移對稱性，或者是旋轉對稱，鏡面對稱，角對稱（準晶體）等。而與此相反，非晶態(tài)金屬不具有任何的長程有序結構，但具有短程有序和中程有序（中程有序正在研究中）。一般地，具有這種無序結構的非晶態(tài)金屬可以從其液體狀態(tài)直接冷卻得到，故又稱為“玻璃態(tài)”，所以非晶態(tài)金屬又稱為“金屬玻璃”或“玻璃態(tài)金屬”。

由于傳統(tǒng)的金屬材料都以晶態(tài)形式出現(xiàn)。但這類金屬熔體，由于極快的速率急劇冷卻，例如每秒鐘冷卻溫度大于100萬度，冷卻速度極快，而高溫下液態(tài)時原子呈無序狀態(tài)，因被迅速“凍結”而形成無定形的固體，此時這稱為非晶態(tài)金屬；由于其內(nèi)部結構與玻璃相似，故又稱金屬玻璃。

這種材料強度和韌性兼具，即強度高而韌性好，一般的金屬在兩點上是相互矛盾的，即強度高而韌性低，或與此相反。而對于非晶態(tài)金屬，其耐磨性也明顯地高于鋼鐵材料。

非晶態(tài)金屬還具有優(yōu)異的耐蝕性，遠優(yōu)于典型的不銹鋼，這可能是因為其表面易形成薄而致密的鈍化膜；同時由于其結構均勻，沒有金屬晶體中經(jīng)常存在的晶粒、晶界和缺陷，所以不易產(chǎn)生引起電化學腐蝕

并且非晶態(tài)金屬還具有優(yōu)良的磁學性能；由于其電阻率比一般金屬晶體高，可以大大減少渦流損失，低損耗、高磁導，故使其成為引人注目的新型材料，也被譽為節(jié)能的“綠色材料”。

另外，非晶態(tài)金屬有明顯的催化性能；它還可作為儲氫材料。

但是非晶態(tài)合金也有其致命弱點，即其在500度以上時就會發(fā)生結晶化過程，因而使材料的使用溫度受到限制。還有其制造成本較高，這點也限制非晶態(tài)金屬廣泛應用。非晶態(tài)合金具有很高的室溫強度、硬度和剛度，具有良好的韌性和塑性。由于非晶態(tài)無晶界、相界、無錯位、無成分偏析，所以有很高的耐腐蝕性及高導電率、高導磁率、低磁損和低的聲波衰減率等特性。廣泛用于高科技領域。制備非晶態(tài)金屬的方法主要有3類：1、通過蒸發(fā)、電解、輻射等方法使金屬原子或離子凝聚或沉積而成2、由熔融合金通過急冷快速固化而形成粉末、絲、條、帶3、利用激光、離子注入、噴鍍、爆炸等方法使表面層結構無序化。9

、何謂急冷凝固技術?在急冷條件下會得到哪些不同于一般晶體的組織、結構?能獲得何種新材料?急冷凝固技術是設法將熔體分割成尺寸很小的部分，增大熔體的散熱面積，再進行高強度冷卻，使熔體在短時間內(nèi)凝固以獲得與模鑄材料結構、組織、性能顯著不同的新材料的凝固方法。非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金具有很高的室溫強度、硬度和剛度，具有良好的韌性和塑性。由于非晶態(tài)無晶界、相界、無錯位、無成分偏析，所以有很高的耐腐蝕性及高導電率、高導磁率、低磁損和低的聲波衰減率等特性。廣泛用于高科技領域。微晶合金微晶合金的晶粒尺寸在微米和納米級別，晶粒細小，成分均勻，空位、位錯、層錯密度大，形成了新的亞穩(wěn)相等因素而具有高強度、高硬度、良好的韌性、較高的耐磨性、耐腐蝕性及抗氧化性、抗輻射穩(wěn)定性等。另外，還具有高的電阻率，較高的超導轉變溫度、高的矯頑力等。準晶合金準晶是一種介于晶體和非晶體之間的固體。準晶具有完全有序的結構，然而又不具有晶體所應有的平移對稱性，因而可以具有晶體所不允許的宏觀對稱性。普通晶體只能具有二次、三次、四次或六次旋轉對稱性，但是準晶的布拉格衍射圖具有其他的對稱性，例如五次對稱性或者更高的如六次以上的對稱性。第七章合金相與相圖1、簡述相圖的組成并描述制作相圖的方法。相圖是表示在平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)狀態(tài)或相的轉變與成分、溫度及壓力間關系的圖解，每一個相圖都由組元、相區(qū)、相界線、組織組成。制作相圖的方法：①配制一系列成分不同的合金；②測所配合金的冷卻曲線；③找出各冷卻曲線上的臨界點；④將臨界點標在以“溫度-成分”坐標系中的相應位置，將意義相同的臨界點連接起來。2、簡述相律中各項的含義，應用相律說明在常壓下，一員、二元、三元系統(tǒng)中最大的相數(shù)格式多少。相律f=n+2-p,f是體系的自由度數(shù)，即不影響體系平衡狀態(tài)的獨立可變參數(shù)的數(shù)目；n是指體系中組元的個數(shù)；p是體系中相的個數(shù)。常壓下，相律為f=n+1-p，故對一元體系，最多有兩相共存，二元體系最多有三相共存，三元體系最多有四相共存。3、簡述合金與純金屬的區(qū)別。如何理解相、單相合金、多相合金。合金：兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬經(jīng)一定方法合成的具有金屬特性的物質(zhì)。純金屬是一種金屬元素構成的材料。相：合金中具有同一聚集狀態(tài),同一化學成分、同一晶體晶體結構和性質(zhì)并以界面相互隔開的均勻組成部分。單相合金：該合金以單一相存在。多相合金：在一定條件下，合金中有多個相共存。4、合金相分為哪幾類？從晶體結構上講，純金屬、固溶體、化合物之間有何區(qū)別？合金相通常按在相圖中的位置分為固溶體和中間相（或金屬化合物）。純金屬有完美的晶體結構，原子排列具有周期性、對稱性；固溶體是溶劑結構的點陣結構大致保留，但是引入了間隙或置換溶質(zhì)原子，從而組成了異類原子混合的固態(tài)熔體，相當于溶劑晶格結構發(fā)生較大程度的畸變；金屬化合物的組成原子有固定比例，溶劑的原有結構因溶質(zhì)原子的插入而被完全破壞，形成了另一種有序的結構。5、影響合金結構的因素主要有哪些？電子因素：指與核外電子及電子遷移所引起的離子性有關的因素。如異類原子價電子數(shù)目相差較大時，有利于形成金屬化合物。電負性：指合金組元原子之間的電化學親和能力及其形成化合物傾向的判斷依據(jù)。如電負性相差越大，越易形成金屬化合物。原子尺寸因素：指組元間原子半徑之差與其中一組元原子半徑之比。當組元之間電負性相差不大時，原子尺寸相差越小，越易形成固溶體。(1)按溶質(zhì)原子在點陣中所占位置分為：置換固溶體：溶質(zhì)原子置換了溶劑點陣中部分溶劑原子。間隙固溶體：溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙中。(2)按溶質(zhì)原子在溶劑原子中溶解度（固溶度）分類：有限固溶體：在一定條件下,溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解量有一個上限,起過這個限度就形成新相。無限固溶體：溶質(zhì)原子可以任意比例溶入溶劑晶格中形成的。(3)按溶質(zhì)原子在溶劑中的分布特點分類無序固溶體：溶質(zhì)原子在溶劑中任意分布,無規(guī)律性。有序固溶體：溶質(zhì)原子按一定比例和有規(guī)律分布在溶劑晶格的點陣或間隙里。(4)按基體類型分類：一次固溶體：以純金屬為基形成的固溶體。二次固溶體：以化合物為基形成的固溶體。6、固溶體可以分為哪幾類?說明各類固溶體之間在結構上的差異？形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金屬元素，如氫、碳、硼、氮等，而溶劑元素一般為過渡族元素；溶質(zhì)原子通常比間隙大，會引起很大的晶格畸變；通常為無序固溶體；間隙數(shù)目有限，故溶解度有限，只能形成有限固溶體。形成置換固溶體的組成元素的原子半徑、電化學特性相近，晶格類型相同；由于元素間的差距，必然會引起晶格畸變；有可能形成無限固溶體；視同類原子和異類原子間結合力的相對大小，可形成完全無序、偏聚、部分有序、完全有序固溶體。7、普通低碳鋼在室溫下由鐵素體和滲碳體組成。鐵素體是體心立方，鐵原子位于陣點，碳原子位于間隙；滲碳體是正交結構，請問鐵素體和滲碳體是固溶體還是化合物？若為固溶體，是哪種固溶體？剛在室溫下是單相還是多相？鐵素體是固溶體，屬于間隙固溶體（有限固溶體，無序固溶體），滲碳體是化合物鋼在室溫下是多相體。8、銅鎳二元合金相圖部分，含鎳20%的合金在溫度為T1時處于平衡狀態(tài)，問：（1）處于幾相平衡狀態(tài)？（2）有哪幾個平衡相？（3）此時的自由度數(shù)？（4）分別寫出每個平衡相的成分（5）計算每個平衡相的相對量（1）兩相平衡狀態(tài)（2）液相、固相（3）自由度數(shù)：f=n+1-p=2+1-2=1（4）含鎳20%的合金在T1平衡狀態(tài)下：

Ni20%,Cu80%（勻晶相圖）（5）T1溫度下，成分20%的合金處于L+α兩相狀態(tài)，故對合金：Qt=QL+Qα

對鎳：Qt*20%=QL*15%+Qα*35%.

解得QL:Qα=3:1功能材料定義：以特殊的電、磁、聲、光、熱、力、化學及生物學等性能作為主要性能指標的一類材料。即在聲、光、電、磁、熱及化學性能上有特殊效應的，用于非結構目的的高技術材料。功能材料的的品種繁多，目前已達十多萬種，而且還以每年百分之五的增長率不斷增加。目前主要是根據(jù)材料的化學組成、應用領域、使用性