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1、第六章 液態(tài)金屬結(jié)晶的基本原理1、怎么從相變理論理解液態(tài)金屬結(jié)晶過(guò)程中的生核、成長(zhǎng)機(jī)理? 答:相變理論:相變時(shí)必須具備熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件。 金屬結(jié)晶屬一種相變過(guò)程: 熱力學(xué)條件即過(guò)冷度驅(qū)動(dòng)力 動(dòng)力學(xué)條件:克服能障 熱力學(xué)能障界面自由能形核 動(dòng)力學(xué)能障激活自由能長(zhǎng)大 若在體系內(nèi)大范圍進(jìn)行,則需極大能量,所以靠起伏,先生核主要克服熱力學(xué)能障,然后出現(xiàn)最小限度的過(guò)渡區(qū)“界面”,此界面逐漸向液相內(nèi)推移長(zhǎng)大(主要克服動(dòng)力學(xué)能障)。2、 試述均質(zhì)生核與非均質(zhì)生核之間的區(qū)別與聯(lián)系,并分別從臨界晶核曲率半徑、 生核功兩個(gè)方面闡述外來(lái)襯底的濕潤(rùn)能力對(duì)臨界生核過(guò)冷度的影響。要滿(mǎn)足純金屬非均質(zhì)生核的熱力學(xué)要求,液態(tài)
2、金屬必須具備哪兩個(gè)基本條件? 答:(1) 相等但 非均質(zhì)生核所需體積小,即相起伏時(shí)的原子數(shù)少。 (2) 兩種均需能量起伏克服生核功,但非均質(zhì)生核能需較小。 (3)右圖看出 即:對(duì):與的影響. (4)生核功: (5)純金屬非均質(zhì)生核的熱力學(xué)條件: 液態(tài)金屬需具備條件(1)液態(tài)金屬需過(guò)冷 (2)襯底存在。3、 物質(zhì)的熔點(diǎn)就是固、液兩相平衡存在的溫度、試從這個(gè)觀(guān)點(diǎn)出發(fā)闡述式(43) 中與之間關(guān)系的物理意義。 答:式43 當(dāng) 時(shí), 兩相平衡; 當(dāng)時(shí),趨于固相:即固相教液相穩(wěn)定;式中看出 。 即 ,此時(shí)固相更穩(wěn)定,更易于發(fā)生相變,就以較小的即可穩(wěn)定存在。4、液態(tài)金屬生核率曲線(xiàn)特點(diǎn)是什么?在實(shí)際的非均質(zhì)生
3、核過(guò)程中這個(gè)特點(diǎn)又有何變化? 答:實(shí)際非均質(zhì)生核率受襯底面積大小的影響,當(dāng)襯底面積全部充滿(mǎn)后,生核率曲線(xiàn)中斷,即不再有非均質(zhì)生核。 相變、生核、成長(zhǎng)中的熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué):(1) 相變: 熱力學(xué)條件: ,可以提供相變驅(qū)動(dòng)力。 動(dòng)力學(xué)條件:克服熱力學(xué)能障和動(dòng)力學(xué)能障。 (2)生核: 克服能障:熱力學(xué)(界面自由能)、動(dòng)力學(xué)(作用小,對(duì)生核率影響小)(3)生長(zhǎng): 熱力學(xué)能障:取決于 (處于過(guò)冷狀態(tài),且相變驅(qū)動(dòng)力克服此能障) 動(dòng)力學(xué)能障:5、從原子尺度看,決定固液面微觀(guān)結(jié)構(gòu)的條件是什么?各種界面結(jié)構(gòu)與其生長(zhǎng)機(jī)理和生長(zhǎng)速度之間有何聯(lián)系?它們的生長(zhǎng)表面和生長(zhǎng)防線(xiàn)各有什么特點(diǎn)? 答:(1) 熱力學(xué)因素: 粗糙界
4、面 平衡結(jié)構(gòu) 平整界面 動(dòng)力學(xué)因素:大:連續(xù)生長(zhǎng)粗糙界面結(jié)構(gòu) 非平衡時(shí) 小:平整界面的生長(zhǎng)平整界面結(jié)構(gòu)(2) 粗糙界面:連續(xù)生長(zhǎng) 完整平整界面:二維生核 非平整界面:螺旋生長(zhǎng), 。 旋轉(zhuǎn)單晶, 反射單晶。 (3) 生長(zhǎng)方向: 粗糙界面:各向同性的非晶體單晶等,生長(zhǎng)方向與熱流方向相平行, 平整界面:密排線(xiàn)相交后的棱角方向 生長(zhǎng)表面: 粗糙界面:因是各向同性,光滑的生長(zhǎng)表面。 平整界面:棱角分明的密排小晶面,6、我們從什么尺度著眼討論單晶合金的結(jié)晶過(guò)程的?它與結(jié)晶的原子過(guò)程以及最后的晶粒組織之間存在什么聯(lián)系? 答:(1)從宏觀(guān)尺度著眼討論單相合金的結(jié)晶過(guò)程,主要是與“原子尺度”相區(qū)別的。 (2)與
5、結(jié)晶的原子過(guò)程之間的關(guān)系: 不同的結(jié)晶方式:平面生長(zhǎng)胞狀生長(zhǎng) 枝晶生長(zhǎng)。 原子過(guò)程: 小面生長(zhǎng)和非小面生長(zhǎng) 。 任何一種生長(zhǎng)方式都可以是小面生長(zhǎng)或非小面生長(zhǎng) (3)與最后的晶粒組織之間的聯(lián)系。 平面生長(zhǎng):?jiǎn)尉Щ驘o(wú)分支的柱狀晶組織。 胞狀生長(zhǎng):胞狀晶一簇為一些平行排列的亞結(jié)構(gòu)。 柱狀枝晶生長(zhǎng):柱狀枝晶。 等軸枝晶生長(zhǎng)(內(nèi)生長(zhǎng)):等軸枝晶。 7、某二元合金相圖如圖所示。合金液 成分為,置于長(zhǎng)瓷舟中并從左端開(kāi)始凝固。溫度梯度達(dá)到足以使固液界面保持平面生長(zhǎng)。假設(shè)固相無(wú)擴(kuò)散,液相均勻混合。試求:(1)相與液相之間的平衡分配系數(shù);(2)凝固后共晶體的數(shù)量占試棒長(zhǎng)度的百分之幾?(3) 畫(huà)出凝固后的試棒中溶質(zhì)
6、B的濃度沿試棒長(zhǎng)度的分布曲線(xiàn),并注明各特征成分及其位置。 解:(1) (2)根據(jù)公式 共晶體占試棒長(zhǎng)度的44.4% (3) T=500 8、假設(shè)上題合金成分為。 (1)證明已凝固部分()的平均成分為 (2)當(dāng)試棒凝固時(shí),液體成分增高,而這又會(huì)降低液相線(xiàn)溫度。證明液相線(xiàn)溫度與之間關(guān)系為 式中為的熔點(diǎn),m為液相線(xiàn)傾率。 (3)在相圖上標(biāo)出分別為750、700、600與500下的固相平均成分。問(wèn)試棒中將有百分之幾按共晶凝固? 答:(1) (2) (3)70030.897.56004.50.958.150060.978.6 , , 3%按共晶結(jié)晶。 , , , 9、固相無(wú)擴(kuò)散,液相均勻混合。假設(shè)圖PQ
7、線(xiàn)是(時(shí)固相成分)與界面處固相成分的算數(shù)平均值。試證: 證明: 10、何謂成分過(guò)冷判據(jù)?成分過(guò)冷的大小受哪些應(yīng)訴的影響?它又是如何影響著晶體的生長(zhǎng)方式和結(jié)晶狀態(tài)的?所有的生長(zhǎng)方式都僅僅由成分過(guò)冷因素決定嗎? 答:(1)成分過(guò)冷判據(jù) 即:判據(jù)條件成立時(shí),則存在成分過(guò)冷;反之,不會(huì)出現(xiàn)生分過(guò)冷。 (2)成分過(guò)冷的大小受以下因素影響 a、合金本身: b、工藝因素: (3)無(wú)成分過(guò)冷小成分過(guò)冷較寬成分過(guò)冷寬成分過(guò)冷方式平面生長(zhǎng)胞狀生長(zhǎng)枝晶生長(zhǎng)等軸枝晶狀態(tài)單晶、柱狀晶胞晶柱狀枝晶等軸晶(4)不是所有的生長(zhǎng)方式僅由成分過(guò)冷因素決定。a、純金屬:無(wú)成分過(guò)冷。b、過(guò)冷熔體的內(nèi)生長(zhǎng),不一定存在成分過(guò)冷。c、游離
8、晶的形成造成等軸晶生長(zhǎng)。11、已知在鑄錠和鑄件中,多數(shù)金屬在液相線(xiàn)溫度下;m1。假設(shè),試分別求出下表中當(dāng)(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)、1%、0.01%以及與0.1時(shí)的確保平面生長(zhǎng)所必須的值??紤]到鑄錠或鑄件中一般情況下,根據(jù)計(jì)算結(jié)果你能得出什么結(jié)論? 10%(重量)1%(重量)0.01%(重量)0.40.1答:,結(jié)論:一般鑄造條件下很少平面生長(zhǎng)。12、共晶結(jié)晶中,滿(mǎn)足共生生長(zhǎng)和離異生長(zhǎng)的基本條件是什么?共晶兩相的固液界面結(jié)構(gòu)與其共生區(qū)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)之間有何關(guān)系?它們對(duì)共晶合金的結(jié)晶方式有何影響?答:(1)共生生長(zhǎng)的基本條件:a.共晶兩相應(yīng)有相近的析出能力,原析出相 在領(lǐng)先相得表面生核,從而便于形成具有共生界面
9、的雙向核心。b.界面沿溶質(zhì)原子的橫向擴(kuò)散能保證共晶兩相等速生長(zhǎng),使共生生長(zhǎng)得以繼續(xù)進(jìn)行。(2)離異生長(zhǎng)的基本條件一相大量析出,而另一相尚未開(kāi)始結(jié)晶時(shí),形成晶相偏析型離異共晶組織。合金成分偏離共晶點(diǎn)很遠(yuǎn),初晶相長(zhǎng)的很大,共晶成分的殘面液體很少,另一相得生核困難:偏離共晶成分,初晶相長(zhǎng)的較大,另一相不易生核或當(dāng)領(lǐng)先相為另一相的“暈圈”,被封閉時(shí),形成領(lǐng)先相成球狀結(jié)構(gòu)的離異共晶組織.(3)兩相固-液界面結(jié)構(gòu)分為: 非小面非小面共晶合金:共生區(qū)對(duì)稱(chēng);非小面小面共晶合金:非對(duì)稱(chēng)共生區(qū),偏向非金屬高熔點(diǎn)一側(cè);(4)非小面-非小面: 共面生長(zhǎng):層片狀,棒狀,碎片狀,特殊:離異非小面-小面:可以共生生長(zhǎng),與以上不同:當(dāng)生長(zhǎng)界面在局部是不定的,固液界面參差不齊,領(lǐng)先相的生長(zhǎng)形態(tài)決定著共生兩相的結(jié)構(gòu)形態(tài)。產(chǎn)生封閉“暈圈”時(shí),離異生長(zhǎng)方式。13、小面-非小面共晶生長(zhǎng)的最大特點(diǎn)是什么?它與變質(zhì)處理之間的關(guān)系是什么?答:最大特點(diǎn):小面相在共晶生長(zhǎng)中的各向異性行為決定了共晶兩相組織結(jié)構(gòu)的基本特征。由于平整界面本身存在著各種不同的生長(zhǎng)機(jī)理,故這類(lèi)共晶合金比非小面-非小面共晶合金具有更復(fù)雜的組織形態(tài)變化。即使同一種合金在不同的條件下也能形成變種形態(tài)互異、性能懸殊的共生共晶甚至共晶組織。與變質(zhì)處理間的關(guān)系: 變質(zhì)處理主要改變
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