單元系-題庫(部分答案)

判斷題相圖表示的是體系的熱力學(xué)平衡狀態(tài)?！叹叩呐R界半徑r隨著△T的增大而減小?！烈簯B(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是短程有序，長程無序。()液態(tài)金屬只要過冷到其熔點(diǎn)以下就會(huì)發(fā)生結(jié)晶。[×]非均勻形核時(shí)，臨界晶核（曲率）半徑?jīng)Q定了晶核的形狀和體積大小[×]無論固-液界面微觀結(jié)構(gòu)呈粗糙型還是光滑型，晶體生長時(shí)液相原子都是一個(gè)個(gè)地沿著固相面的垂直方向連接上去的。[×]無論溫度如何分布，純金屬都是以樹枝狀方式生長。[×]純晶體結(jié)晶時(shí)的過冷度是指在冷卻曲線上出現(xiàn)平臺(tái)的溫度與熔點(diǎn)之差。[×]在任何溫度下，液相中出現(xiàn)的最大結(jié)構(gòu)起伏都成為晶核。[×]所謂臨界晶核，就是體系自由能的減少完全抵償表面自由能的增加時(shí)的晶胚大小。[×]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，但是只要由足夠的能量起伏提供形核功，還是可以成核的。[×]非均勻形核總是比均與均勻形核容易，因?yàn)榉蔷鶆蛐魏艘话闶且酝饧庸腆w雜質(zhì)作為現(xiàn)成晶核，不需要形核功。[×]非均勻形核，當(dāng)接觸角θ=0°時(shí)，非均勻形核的形核功最大。[×]固-液界面的微觀結(jié)構(gòu)可根據(jù)杰克遜因子α來判斷：當(dāng)α≤2時(shí)，固-液界面為光滑界面；當(dāng)α≥5時(shí)，固-液界面為粗糙界面。[×]結(jié)晶的熱力學(xué)條件是：。[×]不論晶核大小，形成晶核時(shí)都需要形核功。[×][×]從宏觀上觀察，若液-固界面時(shí)平直的稱為光滑界面；若液-固界面時(shí)由若干小平面組成，呈鋸齒形的稱為粗糙界面。[×]一般金屬結(jié)晶時(shí)，形核率隨著過冷度的增加而增加，超過某一極大值后，出現(xiàn)反的變化。[×]由于均勻形核需要的過冷度很大，所以液態(tài)金屬多為非均勻形核。 （對(duì)）由于均勻形核需要的過冷度很大，所以液態(tài)金屬多為非均勻形核。（對(duì)）38.形核過程中，表面自由能是液固相變的驅(qū)動(dòng)力，而體積自由能是其阻力。（錯(cuò)）39.粗糙界面的材料一般只有較小的結(jié)晶潛熱，所以生長速率較高。（對(duì)）結(jié)構(gòu)起伏（Structuralundulation）：液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則（有序）的小區(qū)域（原子集團(tuán)），但是不穩(wěn)定，存在原子重新聚集clustering，此起彼伏。能量起伏（Energyundulation）：造成結(jié)構(gòu)起伏的原因是液態(tài)金屬中存在著能量起伏，能量低的地方形成cluster，遇到能量高峰又散開成無序狀態(tài)。結(jié)構(gòu)起伏與能量起伏是對(duì)應(yīng)的。過冷：結(jié)晶只有在T0以下的實(shí)際結(jié)晶溫度下才能進(jìn)行，這種現(xiàn)象稱為過冷過冷度：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差T稱過冷度T=T0–T1均勻形核：是指新相晶核在母相中均勻地生成，即晶核由液相中的一些cluster直接形成，不受雜質(zhì)粒子或外表面的影響非均勻形核：是指新相優(yōu)先在母相中存在的異質(zhì)處形核，即依附于液相中的雜質(zhì)或外來表面形核，也稱異質(zhì)形核。臨界形核功：形成臨界晶核所需的能量ΔG*稱為臨界形核功。形核率N：是指在單位時(shí)間內(nèi)，單位體積的金屬液體中形成的晶核數(shù)光滑界面：是指固相表面為基本完整的原子密排面，固液兩相截然分開，從微觀上看界面是光滑的，但是從宏觀來看，界面呈鋸齒狀的折線。粗糙界面：在微觀上高低不平、粗糙，存在幾個(gè)原子厚度的過渡層，但是宏觀上看，界面反而是平直的。過冷度：晶體長大也需要一定的過冷度。長大所需的界面過冷度稱為動(dòng)態(tài)過冷度，用?Tk表示。粗糙界面長大機(jī)制：連續(xù)長大，晶體沿界面的法線方向向液相中生長。這種長大方式叫做垂直長大(verticalgrowth)，或連續(xù)長大粗糙界面光滑界面晶體長大機(jī)制：二維形核借螺型位錯(cuò)長大成分起伏：材料內(nèi)因原子的熱運(yùn)動(dòng)引起微區(qū)中成分瞬間偏離溶液的平均成分，出現(xiàn)起伏平衡分配系數(shù)k0：平衡凝固時(shí)固相的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)wS（成分）和液相溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)wL（成分）之比。正偏析：溶質(zhì)濃度由錠表面向中心逐漸增加的不均勻分布稱為正偏析，它是宏觀偏析的一種。這種偏析通過擴(kuò)散退火也難以消除區(qū)域熔煉：原始質(zhì)量濃度為0，凝固前端部分的溶質(zhì)濃度不斷下降（k0<1），后端部分不斷富集，使前端溶質(zhì)減少而得到提純，也叫區(qū)域提純成分過冷：在合金凝固過程中，由于液相中溶質(zhì)分布發(fā)生變化而改變了凝固溫度。界面前沿液體中的實(shí)際溫度低于由溶質(zhì)分布所決定的凝固溫度時(shí)產(chǎn)生的過冷，稱為成分過冷鑄錠（件）的缺陷：鑄造缺陷的類型較多，常見的有縮孔、氣孔、疏松、偏析、夾渣、白點(diǎn)等縮孔：大多數(shù)液態(tài)金屬的密度比固態(tài)的小，因此結(jié)晶時(shí)發(fā)生體積收縮。金屬收縮后，如果沒有液態(tài)金屬繼續(xù)補(bǔ)充的話，就會(huì)出現(xiàn)收縮孔洞，稱之為縮孔偏析:鑄錠中各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。分為：宏觀偏析和顯微偏析平衡凝固：指凝固過程中的每個(gè)階段都能達(dá)到平衡，即在相變過程中有充分的時(shí)間進(jìn)行組元間的擴(kuò)散。枝晶偏析：在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象稱做枝晶偏析相律：確定在平衡條件下，一個(gè)系統(tǒng)的組成物的組元數(shù)、相數(shù)、和自由度數(shù)之間的關(guān)系規(guī)律。F=C–P+2填空題液體金屬形核時(shí)，當(dāng)形成半徑為r的臨界核心時(shí)，體系的自由能變化___大于零___。.金屬液體在凝固時(shí)產(chǎn)生臨界晶核半徑的大小主要取決于__過冷度___。相：相是從組織角度說明合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一結(jié)構(gòu)，以及成分、性質(zhì)完全相同的均勻組成部分。5）純金屬的結(jié)晶時(shí)，形核需要起伏和起伏。金屬結(jié)晶時(shí)的過冷度越大，則結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力越大，臨界晶核尺寸越小，臨界形核功越小，形核率越，結(jié)晶后的晶粒尺寸越，金屬強(qiáng)度越。6）形核功：液態(tài)金屬凝固時(shí)形成臨界晶核需的能量，其值為表面能的三分之一，依靠液態(tài)金屬中的能量起伏提供7）液體結(jié)構(gòu)的重要特征長程無序，短程有序；8）非均勻形核模型中晶核與基底平面的接觸角，表明形核功為均勻形核功的1/2，180°表明不能促進(jìn)形核；9）相平衡時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的相數(shù)可以通過系統(tǒng)自由度、組元和對(duì)系統(tǒng)平衡狀態(tài)能夠產(chǎn)生影響的外界因素?cái)?shù)目的關(guān)系式來進(jìn)行計(jì)算；10）過冷度是指實(shí)際凝固溫度和理論凝固溫度之差；11）液固界面按原子尺度，可分為光滑界面和粗糙界面12）結(jié)晶過程中晶體界面向液相推移的方式被稱為晶體長大機(jī)制，與液固界面的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。選擇題1）在同一體系和相同的過冷度下，非均勻成核速率總是_________均勻成核速率。a．大于或等于b．小于或等于c，等于d．不一定2）純金屬均勻形核時(shí)，臨界半徑與a．該金屬的熔點(diǎn)有關(guān)，熔點(diǎn)越高，越小b．與該金屬的表面能有關(guān)，表面能越高，r’越小c．與過冷度有關(guān)，過冷度越大，越小d．與過冷度有關(guān)，過冷度越大，越大4）形成臨界晶核時(shí),體積自由能的減少只能補(bǔ)償表面能的?！綛】A、1/3B、2/3C、3/45）下列對(duì)液－固粗糙界面描述正確的是：【A】A微觀粗糙，宏觀平整B微觀粗糙，宏觀粗糙

C微觀平整，宏觀粗糙D微觀平整，宏觀平整6）下列對(duì)金屬結(jié)晶描述正確的是：【ABCD】A包括形核－長大兩個(gè)過程B低于熔點(diǎn)開始進(jìn)行凝固

C需要能量起伏D需要結(jié)構(gòu)起伏7）以下屬于細(xì)化金屬鑄件晶粒的方法是：【ABC】A提高過冷度B變質(zhì)處理

C振動(dòng)和攪拌D高溫慢速澆鑄

鑄錠凝固時(shí)如大部分結(jié)晶潛熱可通過液相散失時(shí)，則固態(tài)顯微組織主要為。（A）樹枝晶 （B）柱狀晶 （C）胞狀晶凝固時(shí)在形核階段，只有核胚半徑等于或大于臨界尺寸時(shí)才能成為結(jié)晶的核心，當(dāng)形成的核胚半徑等于臨界半徑時(shí)，體系的自由能變化。（A）大于零 （B）等于零 （C）小于零A和A-B合金焊合后發(fā)生柯肯達(dá)爾效應(yīng)，測得界面向A試樣方向移動(dòng)，則。（A）A組元的擴(kuò)散速率大于B組元 （B）B組元的擴(kuò)散速率大于A組元 （C）A、B兩組元的擴(kuò)散速率相同凝固時(shí)不能有效降低晶粒尺寸的是以下哪種方法？（A）加入形核劑 （B）減小液相過冷度 （C）對(duì)液相實(shí)施攪拌1．純金屬凝固時(shí)，均勻形核和非均勻形核的形核功大小是否相同?一般情況下兩者哪一個(gè)大?為什么?什么情況下兩者相同?答：兩者不相同，一般情況下，非均勻形核的形核功小。這是因?yàn)榉蔷鶆蛐魏藭r(shí)，形核是在一定形核位置(如模壁、形核劑顆粒等)上進(jìn)行的，其形核功的大小取決于晶核和形核位置之問的界面能和接觸角，設(shè)晶胚的形狀為球冠，則非均勻形核功與均勻形核功之比為：一般情況下，所以非均勻形核的形核功小于均勻形核的形核功。只有在形核位置與金屬完全不潤濕的情況下，此時(shí)，即非均勻形核功的形核功才和均勻形核的形核功相等。2．正常凝固和平衡凝固是否相同?說明兩者的相同或不同之處。2．答：兩者不同。平衡凝固是指在凝固過程中固相和液相的成分始終均勻，而正常凝固只有液相的成分保持均勻。3、在均勻形核時(shí)，如果形成的晶胚是立方體，請(qǐng)推導(dǎo)出形核功和臨界尺寸(立方體邊長)的表達(dá)式，并證明，式中，是臨界晶核的表面積。(8分)4．什么是能量起伏?它與晶體均勻形核有什么關(guān)系?(4分)：能量起伏是指體系中微小體積所具有的能量偏離體系的平均能量，而且微小體積的能量處于時(shí)起時(shí)伏，此起彼伏狀態(tài)的現(xiàn)象。均勻形核時(shí)，液、固之間的體積自由能差只能補(bǔ)償形成臨界晶核表面所需能量的2/3，而不足的1/3則需依靠液相中存在的能量起伏來補(bǔ)充。5.請(qǐng)簡要的分析晶體凝固過程中晶核形成能的能量變化。答：當(dāng)過冷液體中出現(xiàn)晶胚時(shí)，一方面，由于在這個(gè)區(qū)域中原子由液體的聚集狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的排列狀態(tài)，使體系內(nèi)的自由能降低，這是相變的驅(qū)動(dòng)力；另一方面，由于晶胚構(gòu)成新的表面，又會(huì)引起表面自由能的增加，這構(gòu)成相變的阻力。假定晶胚為球形，半徑為r，當(dāng)過冷液中出現(xiàn)一個(gè)晶胚時(shí)，總的自由能變化細(xì)化金屬鑄件晶粒的方法有哪些？說明其基本原理。答：金屬鑄件晶粒大小取決于形核率N和長大速度G，N/G的比值越大，晶粒越細(xì)?。环粗?，晶粒越粗大。所以可以通過增加形核率N或減小長大速度G或其他方法來增加N/G的比值使晶粒得到細(xì)化。具體方法有：增加過冷度。過冷度增加，N和G都隨之增加，但是N的增加率大于G的增大率。因此N/G的比值增加，晶粒細(xì)化。此種方法是用于小件或薄壁零件。形核劑作用。在業(yè)態(tài)金屬澆注時(shí)加入變質(zhì)劑。變質(zhì)劑作用有兩種情況：a）多數(shù)變質(zhì)劑的作用是促進(jìn)發(fā)生非均勻形核，使晶核數(shù)目增加，提高形核率N；b）有的變質(zhì)劑可以抑制晶體長大，顯著減慢長大速度G。不論哪種情況，都能提高N/G的比值，使晶粒細(xì)化。振動(dòng)促進(jìn)形核。加劇溶液在鑄模中運(yùn)動(dòng)。一方面可以提供形核所需要的能量，另一方面可以使正大生長的晶體破碎，碎晶塊可作為結(jié)晶核心，從而提高了形核率N和N/G的比值，使晶粒細(xì)化。9.分析純金屬生長形態(tài)與溫度梯度的關(guān)系.答:純金屬生長形態(tài)是指晶體宏觀長大時(shí)固-液界面的形貌.界面形貌取決于界面前沿液相中的溫度梯度.(1)平面狀長大:當(dāng)液相具有正溫度梯度時(shí),晶體以平直界面方式推移長大.此時(shí),界面上任何偶然的、小的凸起深入液相時(shí),都會(huì)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.長大過程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,而其它方向的生長則受到限制.(2)樹枝狀長大:當(dāng)液相具有負(fù)溫度梯度時(shí),晶體將以樹枝狀方式生長.此時(shí),界面上偶然的凸起深入液相時(shí),由于過冷度的增大,長大速率越來越大;而它本身生長時(shí)又要釋放結(jié)晶潛熱,不利于近旁的晶體生長,只能在較遠(yuǎn)處形成另一凸起.這就形成了枝晶的一次軸,在一次軸成長變粗的同時(shí),由于釋放潛熱使晶枝側(cè)旁液體中也呈現(xiàn)負(fù)溫度梯度,于是在一次軸上又會(huì)長出小枝來,稱為二次軸,在二次軸上又長出三次軸……由此而形成樹枝狀骨架,故稱為樹枝晶(簡稱枝晶).10.簡述純金屬晶體長大機(jī)制及其與固-液界面微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系.答:晶體長大機(jī)制是指晶體微觀長大方式,即液相原子添加到固相的方式,它與固-液界面的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān).(1)垂直長大方式:具有粗糙界面的物質(zhì),因界面上約有50%的原子位置空著,這些空位都可以接受原子,故液相原子可以進(jìn)入空位,與晶體連接,界面沿其法線方向垂直推移,呈連續(xù)式長大.(2)橫向(臺(tái)階)長大方式:包括二維晶核臺(tái)階長大機(jī)制和晶體缺陷臺(tái)階長大機(jī)制,具有光滑界面的晶體長大往往采取該方式.二維晶核模式,認(rèn)為其生長主要是利用系統(tǒng)的能量起伏,使液相原子在界面上通過均勻形核形成一個(gè)原子厚度的二維薄層狀穩(wěn)定的原子集團(tuán),然后依靠其周圍臺(tái)階填充原子,使二維晶核橫向長大,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.晶體缺陷方式,認(rèn)為晶體生長是利用晶體缺陷存在的永不消失的臺(tái)階(如螺型位錯(cuò)的臺(tái)階或攣晶的溝槽)長大的12.與非均勻形核具有相同的臨界晶核半徑，非均勻形核的臨界形核功也等于三分之一表面能，為什么非均勻形核比均勻形核容易？（4分）a)因?yàn)榉蔷鶆蛐魏藭r(shí)，用雜質(zhì)或型腔充當(dāng)了一部分晶核。即臨界晶核中所需的原子數(shù)少或需要調(diào)動(dòng)的原子數(shù)少。b)非均勻形核功，當(dāng)0≤θ<180時(shí)，非均勻形核功小于均勻形核功，即臨界晶核形成時(shí)非均勻形核時(shí)所需要做的功小于均勻形核所需要做的功13.具有粗糙界面的金屬，在何種溫度梯度下以平面方式長大？在何種溫度梯度下以樹枝狀方式長大？分別說明其長大過程。（6分）答：具有粗糙界面的金屬在正溫度梯度下以平面狀方式長大。在正溫度梯度下，當(dāng)界面上偶爾有凸起部分而伸入溫度較高的液體中時(shí)，它的生長速度就會(huì)減緩甚至停止，周圍部分的過冷度較凸起部分大而會(huì)趕上，使凸起部分小時(shí)，這種過程使液-固界面保持穩(wěn)定的平面狀態(tài)。具有粗糙界面的金屬在負(fù)溫度梯度下以樹枝狀方式長大。在負(fù)溫度梯度下，當(dāng)界面生長凸出到前面的液相中，則能處于溫度更低（即過冷度更大）的液相中，使凸出部分的生長速度增大而進(jìn)一步伸向液體中。。在這種情況下，液-固界面就會(huì)形成許多伸向液體的分枝（沿一定的晶向軸），同時(shí)在這些晶枝上會(huì)長出二次晶枝再長出三次晶枝。計(jì)算題1.考慮在一個(gè)大氣壓下液態(tài)鋁的凝固，當(dāng)過冷度ΔT=1℃，計(jì)