材料科學(xué)基礎(chǔ)第三章答案.doc

第三章1. 試述結(jié)晶相變的熱力學(xué)條件、動力學(xué)條件、能量及結(jié)構(gòu)條件。 2. 如果純鎳凝固時的最大過冷度與其熔點（tm1453）的比值為0.18，試求其凝固驅(qū)動力。（H-18075J/mol） 3. 已知Cu的熔點tm1083，熔化潛熱Lm1.88103J/cm3，比表面能1.44105 J/cm3。（1） 試計算Cu在853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(dǎo)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(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(guān)系。 11. 什么叫臨界晶核？它的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(jī)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(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) 金屬結(jié)晶時，原子從液相無序排列到固相有序排列，使體系熵值減少，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(jié)晶時的最大過冷度，其實測值與用公式T=0.2Tm計算值基本一致。 (8) 某些鑄件結(jié)晶時，由于冷卻較快，均勻形核率N1提高，非均勻形核率N2也提高，故總的形核率為N= N1 +N2。 (9) 若在過冷液體中，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算公式A非A均 中可以看出，當(dāng)潤濕角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(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，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) 氮化銨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屬的樹枝狀生長過程，所以關(guān)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(jié)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。 (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，與該金屬的熔化熵?zé)o關(guān)。 (22) 金屬結(jié)晶時，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(jié)晶相變時系統(tǒng)自由能的變化可知，結(jié)晶的熱力學(xué)條件為G0，才有GB0。即只有過冷，才能使G0。動力學(xué)條件為液固界面前沿液體的溫度T0時，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(dāng)實際過冷度TT*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，要求液固界面前沿液體中有一定的過冷，才能滿足(dNdt)F(dNdt)M，這種過冷稱為動態(tài)過冷度(TkTm一Ti)，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(dāng)液體具有正溫度梯度時，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(dāng)液體具有負(fù)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(jìn)，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(guān)系，可以知道半徑rrk的晶胚才有可能成核；而rrk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(tuán)，當(dāng)其尺寸rrk時，這樣的原子團(tuán)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(guān)，則有 12晶體長大機(jī)制是指晶體微觀長大方式，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(jìn)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(jié)晶時只產(chǎn)生一個核心(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(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(厶了)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)測定某純金屬均勻形核時的有效過冷度(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，但可以通過實驗方法，如把正在結(jié)晶的金屬剩余液體倒掉，或者