單元系-題庫(kù)部分答案

1、判斷題1）相圖表示的是體系的熱力學(xué)平衡狀態(tài)。V2）晶胚的臨界半徑rk隨著T的增大而減小。x3）液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是短程有序，長(zhǎng)程無(wú)序。（）4）液態(tài)金屬只要過(guò)冷到其熔點(diǎn)以下就會(huì)發(fā)生結(jié)晶。45）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46）無(wú)論固-液界面微觀結(jié)構(gòu)呈粗糙型還是光滑型，晶體生長(zhǎng)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。47）無(wú)論溫度如何分布，純金屬都是以樹枝狀方式生長(zhǎng)。耳8）純晶體結(jié)晶時(shí)的過(guò)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。49）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。410）所謂臨界晶核，就是體系自由能的減少完全才6償表面自由能的

2、增加時(shí)的晶胚大小。411）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。412）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。413）非均勻形核，當(dāng)接觸角8=0。時(shí)，非均勻形核的形核功最大。414）固-液界面的微觀結(jié)構(gòu)可根據(jù)杰克遜因子a來(lái)判斷：當(dāng)a02時(shí)，固-液界面為光滑界面；當(dāng)a5時(shí)，固-液界面為粗糙界面。耳15）結(jié)晶的熱力學(xué)條件是：AG=-VAGv+S。0。416）不論晶核大小，形成晶核時(shí)都需要形核功。的17）純金屬結(jié)晶時(shí)若呈垂直方式生長(zhǎng)，其界面時(shí)為光滑，時(shí)而粗糙，交替變化。的

3、18）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。耳19）一般金屬結(jié)晶時(shí)，形核率隨著過(guò)冷度的增加而增加，超過(guò)某一極大值后，出現(xiàn)反的變化。川20）由于均勻形核需要的過(guò)冷度很大，所以液態(tài)金屬多為非均勻形核。（對(duì)）21）由于均勻形核需要的過(guò)冷度很大，所以液態(tài)金屬多為非均勻形核。（對(duì)）22） 38.形核過(guò)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)）23） 39.粗糙界面的材料一般只有較小的結(jié)晶潛熱，所以生長(zhǎng)速率較高。（對(duì)）24）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)

4、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(wú)序狀態(tài)。結(jié)構(gòu)起伏與能量起伏是對(duì)應(yīng)的。過(guò)冷：結(jié)晶只有在To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(guò)冷過(guò)冷度：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差A(yù)T稱過(guò)冷度AT=口1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(lái)表面形核，也稱異質(zhì)形核。臨界

5、形核功：形成臨界晶核所需的能量4*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(lái)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(guò)渡層，但是宏觀上看，界面反而是平直的。過(guò)冷度：晶體長(zhǎng)大也需要一定的過(guò)冷度。長(zhǎng)大所需的界面過(guò)冷度稱為動(dòng)態(tài)過(guò)冷度，用？Tk表示。粗糙界面長(zhǎng)大機(jī)制：連續(xù)長(zhǎng)大，晶體沿界面的法線方向向液相中生長(zhǎng)。這種長(zhǎng)大方式叫做垂直長(zhǎng)大（verticalgrowth）,或連續(xù)長(zhǎng)大粗糙界面光滑界面晶體長(zhǎng)大機(jī)制：二維形核借螺型位錯(cuò)長(zhǎng)大成分起

6、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)ko：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(guò)擴(kuò)散退火也難以消除區(qū)域熔煉：原始質(zhì)量濃度為自，凝固前端部分的溶質(zhì)濃度不斷下降（k01）,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(guò)冷：在合金凝固過(guò)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(guò)冷，稱為成分過(guò)冷鑄錠（件）的缺陷：鑄造缺陷的類型較多，常見的有

7、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(guò)程中的每個(gè)階段都能達(dá)到平衡，即在相變過(guò)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=CP+2填空題1）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。.2）金屬液體在凝固時(shí)產(chǎn)生臨

8、界晶核半徑的大小主要取決于過(guò)冷度。3）相：相是從組織角度說(shuō)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(guò)冷度越大，則結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力越上,臨界晶核尺寸越生_,臨界形核功越小，形核率越，結(jié)晶后的晶粒尺寸越，金屬?gòu)?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(zhǎng)程無(wú)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6=2.12,表明形核功為均勻形核功的1/2,8=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(guò)系統(tǒng)自由度、型

9、匹和對(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(lái)進(jìn)行計(jì)算；10）過(guò)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而12）結(jié)晶過(guò)程中晶體界面向液相推移的方式被稱為晶體長(zhǎng)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(guò)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r與*a.該金屬的熔點(diǎn)有關(guān)，熔點(diǎn)越局，r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(guò)冷度有關(guān)，過(guò)冷度越大，r越小*d.與過(guò)冷度有關(guān)，過(guò)冷度越大，r越大4）形成臨界晶核時(shí)，體積自由能的減少

10、只能補(bǔ)償表面能的。BA、1/3B、2/3C、3/4D、2/55）下列對(duì)液-固粗糙界面描述正確的是：A微觀粗糙，宏觀平整BC微觀平整，宏觀粗糙D6）下列對(duì)金屬結(jié)晶描述正確的是：A包括形核-長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程BC需要能量起伏D7）以下屬于細(xì)化金屬鑄件晶粒的方法是：1.A提高過(guò)冷度C振動(dòng)和攪拌微觀粗糙，宏觀粗糙微觀平整，宏觀平整低于熔點(diǎn)開始進(jìn)行凝固需要結(jié)構(gòu)起伏B變質(zhì)處理D高溫慢速澆鑄【ABCD【ABC鑄錠凝固時(shí)如大部分結(jié)晶潛熱可通過(guò)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2 .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)

11、，體系的自由能變化。（A）大于零（B）等于零（C）小于零3 .A和A-B合金焊合后發(fā)生柯肯達(dá)爾效應(yīng)，測(cè)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4 .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(guò)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

12、核和形核位置之問(wèn)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：*G非*G均3一=S(1)2-3coscosu4一般情況下S(e)1,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(rùn)濕的情況下，此時(shí)S(e)=1,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(shuō)明兩者的相同或不同之處。3 .答：兩者不同。平衡凝固是指在凝固過(guò)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萬(wàn)體，請(qǐng)推導(dǎo)出形核功AG和臨界尺寸(立萬(wàn)體邊長(zhǎng)a)的表達(dá)式，并證*1,*明AG=A6,式中

13、，A是臨界晶核的表面積。(8分)34 .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(lái)補(bǔ)充。5 .請(qǐng)簡(jiǎn)要的分析晶體凝固過(guò)程中晶核形成能的能量變化。答：當(dāng)過(guò)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

14、晶43一.2胚為球形，半徑為r,當(dāng)過(guò)冷液中出現(xiàn)一個(gè)晶胚時(shí)，總的自由能變化G=-rGV4二r二6.細(xì)化金屬鑄件晶粒的方法有哪些？說(shuō)明其基本原理。答：金屬鑄件晶粒大小取決于形核率N和長(zhǎng)大速度G,N/G的比值越大，晶粒越細(xì)??；反之，晶粒越粗大。所以可以通過(guò)增加形核率N或減小長(zhǎng)大速度G或其他方法來(lái)增加N/G的比值使晶粒得到細(xì)化。具體方法有：1) 增加過(guò)冷度。過(guò)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。2) 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，

15、提高形核率N;b)有的變質(zhì)劑可以抑制晶體長(zhǎng)大，顯著減慢長(zhǎng)大速度Go不論哪種情況，都能提高N/G的比值，使晶粒細(xì)化。3) 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(zhǎng)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(zhǎng)形態(tài)與溫度梯度的關(guān)系.答：純金屬生長(zhǎng)形態(tài)是指晶體宏觀長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)冷度減小，長(zhǎng)大速率降低或停止長(zhǎng)大，而被周圍部分趕上

16、，因而能保持平直界面的推移.長(zhǎng)大過(guò)程中晶體沿平行溫度梯度的方向生長(zhǎng)，或沿散熱的反方向生長(zhǎng)，而其它方向的生長(zhǎng)則受到限制.(2)樹枝狀長(zhǎng)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(zhǎng).此時(shí)，界面上偶然的凸起深入液相時(shí)，由于過(guò)冷度的增大，長(zhǎng)大速率越來(lái)越大；而它本身生長(zhǎng)時(shí)又要釋放結(jié)晶潛熱，不利于近旁的晶體生長(zhǎng)，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(zhǎng)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(zhǎng)出小枝來(lái)，稱為二次軸，在二次軸上又長(zhǎng)出三次軸由此而形成樹枝狀骨架，故稱為樹枝晶(簡(jiǎn)稱枝晶).10 .簡(jiǎn)述純金屬晶體長(zhǎng)大機(jī)制及其與固-液界面微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系

17、.答：晶體長(zhǎng)大機(jī)制是指晶體微觀長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)大.（2）橫向（臺(tái)階）長(zhǎng)大方式：包括二維晶核臺(tái)階長(zhǎng)大機(jī)制和晶體缺陷臺(tái)階長(zhǎng)大機(jī)制，具有光滑界面的晶體長(zhǎng)大往往采取該方式.二維晶核模式，認(rèn)為其生長(zhǎng)主要是利用系統(tǒng)的能量起伏，使液相原子在界面上通過(guò)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(zhǎng)大，在該層填滿后，則在新的界面上形成新的二維晶

18、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(zhǎng)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(zhǎng)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。2_3coscos3口b）非均勻形核功&*者均一,當(dāng)04180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(zhǎng)大？在何種溫度梯度下以樹枝狀方式長(zhǎng)大

19、？分別說(shuō)明其長(zhǎng)大過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)速度就會(huì)減緩甚至停止，周圍部分的過(guò)冷度較凸起部分大而會(huì)趕上，使凸起部分小時(shí)，這種過(guò)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(zhǎng)大。在負(fù)溫度梯度下，當(dāng)界面生長(zhǎng)凸出到前面的液相中，則能處于溫度更低（即過(guò)冷度更大）的液相中，使凸出部分的生長(zhǎng)速度增大而進(jìn)一步伸向液體中。C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(zhǎng)出二次晶枝再長(zhǎng)出三次晶枝。計(jì)算題1 .考慮在一個(gè)大氣壓

20、下液態(tài)鋁的凝固，當(dāng)過(guò)冷度AT=1C,計(jì)算:（a）臨界晶核尺寸;（b）半徑為r*的晶核個(gè)數(shù);（c）從液態(tài)轉(zhuǎn)變到固態(tài)時(shí)，單位體積的自由能變化AGv（形核功）；一.*（d）從放態(tài)轉(zhuǎn)變到固態(tài)時(shí)，臨界尺寸r*處的自由能的變化AG。鋁的熔點(diǎn)Tm=933K,單位體積熔化熱Lm=1.836M09J/m3,固液界面比表面能S=93mJ/m,原子體積V0=1.6610-29m3。2見答：臨界晶核尺寸r*=1盧/_2x93*10-3用933石r1.836xlO97/xWH因?yàn)閍t=Tm-T是正值，所以r*為正，將過(guò)冷度at=ic代入，得：=945乂10-2制=94,5k啾945臺(tái)半徑為r*的球狀晶核的數(shù)目：2.12x10（個(gè)）413冗*（945x10i）為“一歌與然=-3匕1,66x10中。江J836X1。5d吟7mI。叮.AGV=圖933K處于臨界尺寸r*的晶核的自由能AG*:AG；+4”息=|jtr(94.5xl0-9)ix(-l97xlQ6)J/3+4(945xlOw)2x93x1Q-3J/w2=343x10、2.已知液態(tài)純饃在1.013x105Pa（1個(gè)大氣壓），過(guò)冷度為319c時(shí)發(fā)生均勻形核。設(shè)臨界晶核半徑為1nm，純饃的熔點(diǎn)為1726K,熔化熱Lm=18075J/mol,摩爾體