材料科學(xué)基礎(chǔ)答案

1、第三章1.試述結(jié)晶相變的熱力學(xué)條件、動(dòng)力學(xué)條件、能量及結(jié)構(gòu)條件。2.如果純銀凝固時(shí)的最大過冷度與其熔點(diǎn)（tm=1453C）的比值為0.18,試求其凝固驅(qū)動(dòng)力。（!=-18075J/mol）3.已知Cu的熔點(diǎn)tm=1083C,熔化潛熱Lm=1.88103J/cm3,比表面能o=1.44105J/cm&（1）試計(jì)算Cu在853c均勻形核時(shí)的臨界晶核半徑。（2）已知Cu的相對(duì)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(diǎn)？6.液體金屬凝固時(shí)都需要過冷，那么固態(tài)金屬熔化時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)過熱，為什么？7.已知完全結(jié)

2、晶的聚乙烯（PE）其密度為1.01g/cm3低密度乙烯（LDPE）為0.92g/cm3,而高密度乙烯（HDPE）為0.96g/cm3,試計(jì)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(dòng)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(cuò)誤之處，并改正。（1）所謂過冷度，是指結(jié)晶時(shí)，在冷卻曲線上出現(xiàn)平臺(tái)的溫度與熔點(diǎn)之差；而動(dòng)態(tài)過冷度

3、是指結(jié)晶過程中，實(shí)際液相的溫度與熔點(diǎn)之差。（2）金屬結(jié)晶時(shí)，原子從液相無序排列到固相有序排列，使體系嫡值減少，因此是一個(gè)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(shí)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(shí)的最大過冷度，其實(shí)測值與用公式AT=0.2Tm計(jì)算值基本一致。(8)某些鑄件結(jié)晶時(shí)，由于冷卻較快，均勻形核率N1提高，非均勻形核率N2也

4、提高，故總的形核率為N=N1+N2。(9)若在過冷液體中，外加10000顆形核劑，則結(jié)晶后就可以形成10000顆晶粒。(10)從非均勻形核功的計(jì)算公式人非=人均中可以看出，當(dāng)潤濕角0=00時(shí)，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?yàn)榍罢呤且酝饧淤|(zhì)點(diǎn)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(shí)，主要尋找那些熔點(diǎn)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(shí)，無論液-固界面呈粗糙型或者是光滑型，其液相

5、原子都是一個(gè)一個(gè)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)氮化鏤和水溶液與純金屬結(jié)晶終了時(shí)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(shí)若呈垂直方式長大，其界面時(shí)而光滑，時(shí)而粗糙，交替生長觀上觀察，若液-固界面是平直的稱為光滑界面結(jié)構(gòu)，（20）從宏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(shí)以樹枝狀形態(tài)生長，或以平面狀形態(tài)生長，與該金屬的熔化嫡無關(guān)。（22）金屬結(jié)晶時(shí)

6、，晶體長大所需要的動(dòng)態(tài)過冷度有時(shí)還比形核所需要的臨界過冷度大。1.分析結(jié)晶相變時(shí)系統(tǒng)自由能的變化可知，結(jié)晶的熱力學(xué)條件為?G<0;由單位體積自由能的變化可知，只有？T>0,才有？GB<0。即只有過冷，才能使？G<0。動(dòng)力學(xué)條件為液一固界面前沿液體的溫度T<TM（熔點(diǎn)），即存在動(dòng)態(tài)過冷。玻璃是過冷的液體。這種液體的黏度大，原子遷移性小，因而難于結(jié)晶，如高分子材料（硅酸鹽、塑料等）在一般的冷卻條件下，便可獲得玻璃態(tài)。金屬則不然。由于液態(tài)金屬的黏度低，冷到液相線以下便迅速結(jié)晶，因而需要很大的冷卻速度（估計(jì)金屬玻璃是通過超快速冷卻的方法，抑制液一固結(jié)晶過程，獲得性能異常的

7、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。8.HDPE的自由空間為；LDPE的自由空間為7.,說明在熔化時(shí)，自由能的變化aG（表面）1010C/s）才能獲得玻璃態(tài)。為了在較低的冷速下獲得金屬玻璃，就應(yīng)增加液態(tài)的穩(wěn)定性，使其能在較寬的溫度范圍存在。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)液相線很陡從而有較低共晶溫度時(shí)，就能增加液態(tài)的穩(wěn)定性，故選用這樣的二元系（如FlB,FeC,hP,FeSi等）。為了改善性能，可以加入一些其他元素（如Ni,Mo,Cr,Co等）。這類金屬玻璃可以在10?一10,C/s的冷速下獲得。9.實(shí)際結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度之間的溫度差，稱為過冷度（?T=TmTn）。它是相變熱力學(xué)條件所要求的，只有AT>0時(shí)，才能造成固相的自由

8、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(dòng)力。過冷液體中，能夠形成等于臨界晶核半徑的晶胚時(shí)的過冷度，稱為臨界過冷度（？T*）。顯然，當(dāng)實(shí)際過冷度？T<?T*時(shí)，過冷液體中最大的晶胚尺寸也小于臨界晶核半徑，故難于成核；只有當(dāng)？T>?T*時(shí)，才能均勻形核。所以，臨界過冷度是形核時(shí)所要求的。晶核長大時(shí)，要求液一固界面前沿液體中有一定的過冷，才能滿足（dN/dt）F>（dN/dt）M,這種過冷稱為動(dòng)態(tài)過冷度（？丁卜=TmTi）,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(shí)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

9、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、小的凸起伸入液體時(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(shí)，在界面上若形成偶然的凸起伸入前沿液體時(shí)，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(gè)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2.7（a）中所示的

10、AA斷面上丁A>Tn,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(huì)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(diǎn)以上，液體中出現(xiàn)正溫度梯度，此時(shí)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r=rk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rnrk時(shí)，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

11、觀長大方式，它與液一固界面結(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(gè)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(gè)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(gè)原子層厚的二維晶核與原界面間形成臺(tái)階，單個(gè)原子可以在臺(tái)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(cuò)的露頭，則該界面成為螺旋面，并形成永不消失的臺(tái)階，原子附著到臺(tái)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(shí)只產(chǎn)生

12、一個(gè)核心(或只有一個(gè)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(shí)際結(jié)晶溫度與熔點(diǎn)之差液-固界面前沿液態(tài)中的溫度與熔點(diǎn)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(>A了？»(5)就是體系自由能的減少能夠補(bǔ)償2/3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(shí)的有效過冷度(8)那么總的形核率N=N2。(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(duì)厚處加快冷卻(如加冷鐵)就可以滿足。(12)因?yàn)榍罢呤且酝饧淤|(zhì)點(diǎn)為基底，形核功小(13)主要尋找那些熔點(diǎn)高，且(14)若液一固界面呈粗糙型，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(shí)的組織形態(tài)不同，前者呈樹枝晶(枝間是水)，后者呈一個(gè)個(gè)(塊狀)晶粒。(17)生長過程，