材料物理習(xí)題課改良版

1、凝固：物質(zhì)從液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程結(jié)晶：物質(zhì)從液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的過(guò)程。（物質(zhì)凝固后形成的固體為晶體時(shí)，則稱為結(jié)晶。）過(guò)冷：液態(tài)材料在理論結(jié)晶溫度以下仍保持液態(tài)的現(xiàn)象。過(guò)冷度：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差。T=Tm-Tn結(jié)構(gòu)起伏（相起伏）：液態(tài)材料中出現(xiàn)的短程有序原子集團(tuán)的時(shí)隱時(shí)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(guò)冷液態(tài)金屬中，依靠結(jié)構(gòu)起伏形成大于臨界晶核 的晶胚，同時(shí)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(guò)冷液相中的活性質(zhì)點(diǎn)或固體界面作基底,同時(shí)依靠液相中的相起伏和能量起伏來(lái)實(shí)現(xiàn)的形核。光滑界面：液-固界面上的

2、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(gè)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(shí)需額外對(duì)形核所做的功。長(zhǎng)大速度：晶核生長(zhǎng)過(guò)程中，液固界面在垂直界面方向上單位時(shí)間內(nèi)遷移的距離。形核率：?jiǎn)挝粫r(shí)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(shí)，此時(shí)的晶核半徑為臨界晶核半徑動(dòng)態(tài)過(guò)冷度：晶核長(zhǎng)大所需的界面過(guò)冷度。（遠(yuǎn)小于形核所需過(guò)冷度）柱狀晶：結(jié)晶時(shí)，固液界面只能在空間中的一個(gè)方向自由遷移，其他兩個(gè)方向受限制，這樣形成的晶粒稱柱狀

3、晶等軸晶：結(jié)晶時(shí)，固液界面能夠在空間各個(gè)方向自由遷移，這樣形成的晶粒稱為等軸晶樹枝狀晶：結(jié)晶時(shí)，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(gè)晶粒組成的晶體非晶態(tài)：在原子尺度上結(jié)構(gòu)無(wú)序的材料微晶：晶粒尺寸在微米和納米的超細(xì)晶粒準(zhǔn)晶：在晶體內(nèi)部原子具有準(zhǔn)周期性，介于晶體和非晶體之間的一類晶體。準(zhǔn)晶具有完全有序的結(jié)構(gòu)，然而又不具有晶體所應(yīng)有的平移對(duì)稱性22 、當(dāng)球狀晶核在液相中形成時(shí)，系統(tǒng)自由能的變化為、當(dāng)球狀晶核在液相中形成時(shí)，系統(tǒng)自由能的變化為 求：求：(1)(1)求臨界晶核半徑求臨界晶核半徑(2)(2)證明證明 ( ( 為臨界晶核體積為臨界晶核體積) )；(3)(3)說(shuō)

4、明上式的物理意義。說(shuō)明上式的物理意義。cr32443VGrGr132cccVVGAG cV32443VGrGr2480VGrGrr 2cVrG mVmLGTT 22mcVmTrGLT 單位體積自由能：故有：解：由題：故有：解得：323322324224332163163CVVVVVVGGGGGGG 13CcGA13CVccGV GAA23cVAV G 343CcVr臨界形核功臨界晶核體積為132CCcVVGAG 所以 222164CcVArG2cVrG 32443VGrGr將代入臨界晶核表面積故有：2VcGr 3222242438434133CccccccCGrrrrrrA 故有：或?qū)⒋?3

5、3 、試比較均勻形核與非均勻形核的異同點(diǎn)，說(shuō)明為什么非均、試比較均勻形核與非均勻形核的異同點(diǎn)，說(shuō)明為什么非均勻形核往往比均勻形核更容易進(jìn)行。勻形核往往比均勻形核更容易進(jìn)行。相同點(diǎn)： 1、形核的驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)起伏和能量起伏是形核的基礎(chǔ)；5、形核需要一個(gè)臨界過(guò)冷度；6、形核率在達(dá)到極大值之前，隨過(guò)冷度增大而增加。 與均勻形核相比，非均勻形核的特點(diǎn)：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(jié)構(gòu)起伏和能量起伏就?。?形核容易，臨界過(guò)冷度?。?、非均勻形核時(shí)晶核形狀和體積由臨界晶核

6、半徑和接觸角共同決定；臨界晶核 半徑相同時(shí)，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(guò)冷度增大而增加，當(dāng)超過(guò)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(jié)構(gòu)和表面形貌有關(guān)。44 、何謂動(dòng)態(tài)過(guò)冷度、何謂動(dòng)態(tài)過(guò)冷度? ?說(shuō)明動(dòng)態(tài)過(guò)冷度與晶體生長(zhǎng)的關(guān)系。在單說(shuō)明動(dòng)態(tài)過(guò)冷度與晶體生長(zhǎng)的關(guān)系。在單晶制備時(shí)控制動(dòng)態(tài)過(guò)冷度的意義？晶制備時(shí)控制動(dòng)態(tài)過(guò)冷度的意義？答:晶核長(zhǎng)大所需要的界面過(guò)冷度稱為動(dòng)態(tài)過(guò)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(gè)晶核生長(zhǎng)成一整塊單晶體，控制動(dòng)態(tài)過(guò)冷

7、度就是可以保證只形成一個(gè)晶核，長(zhǎng)成一整塊單晶體。KTKTKT55 、分析在負(fù)溫度梯度下，液態(tài)金屬結(jié)晶出樹枝晶的過(guò)程。、分析在負(fù)溫度梯度下，液態(tài)金屬結(jié)晶出樹枝晶的過(guò)程。答:當(dāng)dT/dx時(shí)界面的熱量可以從固液兩相散失，界面移動(dòng)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(jìn)入了T更大的區(qū)域，可以更大的速率成長(zhǎng)，伸入液相中形成一個(gè)晶軸，由于晶軸結(jié)晶時(shí)向兩側(cè)液相中放出潛熱，使液相中垂直于晶軸的方向又產(chǎn)生負(fù)溫度梯度，這樣晶軸上又會(huì)產(chǎn)生二次晶軸，同理二次晶軸上又會(huì)生長(zhǎng)出三次晶軸，這種生長(zhǎng)方式為樹枝狀生長(zhǎng)，結(jié)晶出樹枝晶 66 、在同樣的負(fù)溫度梯下，為什么、在同樣的負(fù)溫度梯下，為什么PbPb結(jié)晶出樹枝

8、狀晶而結(jié)晶出樹枝狀晶而Si Si的結(jié)的結(jié)晶界面卻是平整的晶界面卻是平整的? ?在同樣的負(fù)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(zhǎng)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(cè)向生長(zhǎng)成界面平整的晶體。7 7、實(shí)際生產(chǎn)中怎樣控制鑄件的晶粒大小？試舉例說(shuō)明、實(shí)際生產(chǎn)中怎樣控制鑄件的晶粒大小？試舉例說(shuō)明 答：生產(chǎn)實(shí)際中常采用的控制晶粒尺寸的措施有：（1）提高過(guò)冷度，如采用導(dǎo)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(dòng)、攪拌，即在澆注和結(jié)晶過(guò)程中實(shí)施振動(dòng)和攪拌，以提供形核功，增加晶核數(shù)量 88 何謂非晶態(tài)金屬何謂非

9、晶態(tài)金屬? ?簡(jiǎn)述幾種制備非晶態(tài)金屬的方法。非晶態(tài)金簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)和性能有什么不同。屬與晶態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)無(wú)序的一種金屬材料。大部分金屬材料具有很高的有序結(jié)構(gòu)，原子呈現(xiàn)周期性排列（晶體），表現(xiàn)為平移對(duì)稱性，或者是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，鏡面對(duì)稱，角對(duì)稱（準(zhǔn)晶體）等。而與此相反，非晶態(tài)金屬不具有任何的長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，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(wú)序結(jié)構(gòu)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”。 非晶態(tài)合金具有很高的室

10、溫強(qiáng)度、硬度和剛度，具有良好的韌性和塑性。由于非晶態(tài)無(wú)晶界、相界、無(wú)錯(cuò)位、無(wú)成分偏析，所以有很高的耐腐蝕性及高導(dǎo)電率、高導(dǎo)磁率、低磁損和低的聲波衰減率等特性。廣泛用于高科技領(lǐng)域。制備非晶態(tài)金屬的方法主要有3類：1、通過(guò)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(guò)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(jié)構(gòu)無(wú)序化。99 、何謂急冷凝固技術(shù)、何謂急冷凝固技術(shù)? ?在急冷條件下會(huì)得到哪些不同于一般晶在急冷條件下會(huì)得到哪些不同于一般晶體的組織、結(jié)構(gòu)體的組織、結(jié)構(gòu)? ?能獲得何種新材料能獲得何種新材料? ?急冷凝固技術(shù)是設(shè)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(jìn)行高強(qiáng)度冷卻，使熔體在短時(shí)間內(nèi)凝固以獲得與模鑄材料結(jié)構(gòu)、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(qiáng)度、硬度和剛度，具有良好的韌性和塑性。由于非晶態(tài)無(wú)晶界、相界、無(wú)錯(cuò)位、無(wú)成分偏析，所以有很高的耐腐蝕性及高導(dǎo)電率、高導(dǎo)磁率、低磁損和低的聲波衰減率等特性。廣泛用于高科技領(lǐng)域。微晶合金微晶合金的晶粒尺寸在微米和納米級(jí)別，晶粒細(xì)小，成分均勻，空位、位錯(cuò)、層錯(cuò)密度大，形成了新的亞穩(wěn)相等因素而具有高強(qiáng)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