液態(tài)金屬結(jié)晶的基本原理

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