材料科學(xué)基礎(chǔ)第6章習(xí)題課

1、LOGO第六章第六章 習(xí)題課習(xí)題課 Company Logo基本要求：基本要求：v明確結(jié)晶相變的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、能量及結(jié)構(gòu)條件；明確結(jié)晶相變的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、能量及結(jié)構(gòu)條件；v了解過(guò)冷度在結(jié)晶過(guò)程中的意義；了解過(guò)冷度在結(jié)晶過(guò)程中的意義；v均勻形核與非均勻形核的成因及在生產(chǎn)中的應(yīng)用；均勻形核時(shí)臨均勻形核與非均勻形核的成因及在生產(chǎn)中的應(yīng)用；均勻形核時(shí)臨界晶核半徑和形核功的計(jì)算；界晶核半徑和形核功的計(jì)算；v明確晶體的長(zhǎng)大條件與長(zhǎng)大機(jī)制；明確晶體的長(zhǎng)大條件與長(zhǎng)大機(jī)制；v界面的生長(zhǎng)形態(tài)取決于液界面的生長(zhǎng)形態(tài)取決于液/ /固界面的結(jié)構(gòu)及界面前沿相中的溫度固界面的結(jié)構(gòu)及界面前沿相中的溫度梯度；梯度；v能用結(jié)

2、晶理論說(shuō)明生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，如晶粒細(xì)化工藝、單晶體的制能用結(jié)晶理論說(shuō)明生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，如晶粒細(xì)化工藝、單晶體的制取原理及工藝、定向凝固技術(shù)等。取原理及工藝、定向凝固技術(shù)等。v基本概念及術(shù)語(yǔ)：結(jié)晶與凝固、近程有序、遠(yuǎn)程有序、結(jié)構(gòu)起伏、基本概念及術(shù)語(yǔ)：結(jié)晶與凝固、近程有序、遠(yuǎn)程有序、結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏、過(guò)冷度、理論結(jié)晶溫度、實(shí)際結(jié)晶溫度、均勻形核、能量起伏、過(guò)冷度、理論結(jié)晶溫度、實(shí)際結(jié)晶溫度、均勻形核、非均勻形核、晶胚、晶核、臨界晶核、臨界形核功、形核率、生非均勻形核、晶胚、晶核、臨界晶核、臨界形核功、形核率、生長(zhǎng)速率、光滑界面、粗糙界面、正溫度梯度、負(fù)溫度梯度、平面長(zhǎng)速率、光滑界面、粗糙界面、正溫度梯

3、度、負(fù)溫度梯度、平面狀長(zhǎng)大、樹(shù)枝狀長(zhǎng)大狀長(zhǎng)大、樹(shù)枝狀長(zhǎng)大 Company LogoCompany Logo1. 1.金屬結(jié)晶時(shí)都遵循著形核與長(zhǎng)大的一般規(guī)律，也就是說(shuō)金屬結(jié)晶時(shí)都遵循著形核與長(zhǎng)大的一般規(guī)律，也就是說(shuō): ( ): ( ) A A 、結(jié)晶分為兩個(gè)階段，形核階段完成以后，所有的晶核、結(jié)晶分為兩個(gè)階段，形核階段完成以后，所有的晶核同步進(jìn)入長(zhǎng)大階段同步進(jìn)入長(zhǎng)大階段 B B、形核與長(zhǎng)大分批進(jìn)行，一批晶核形成長(zhǎng)大后又一批晶、形核與長(zhǎng)大分批進(jìn)行，一批晶核形成長(zhǎng)大后又一批晶核形成長(zhǎng)大核形成長(zhǎng)大 C C 、形核與長(zhǎng)大是交叉進(jìn)行的，不斷形核不斷長(zhǎng)大，直至、形核與長(zhǎng)大是交叉進(jìn)行的，不斷形核不斷長(zhǎng)大，直至

4、液體耗盡為止液體耗盡為止2. 2. 在純金屬液體中形成臨界晶核時(shí)，固、液相間的體積自由在純金屬液體中形成臨界晶核時(shí)，固、液相間的體積自由能差尚不能抵消新增的晶核表面能，其不足部分還必須能差尚不能抵消新增的晶核表面能，其不足部分還必須依靠其他能量，即液體中的：依靠其他能量，即液體中的： ( )( ) A A 、能量起伏、能量起伏 B B 、結(jié)構(gòu)起伏、結(jié)構(gòu)起伏 C C 、濃度起伏、濃度起伏Company Logo3. 3. 純金屬凝固時(shí)，非均勻形核比均勻形核所需的過(guò)冷度要小純金屬凝固時(shí)，非均勻形核比均勻形核所需的過(guò)冷度要小得多，這是因?yàn)椋旱枚?，這是因?yàn)椋? ) ( ) A A 、非均勻形核的臨界晶

5、核半徑較小、非均勻形核的臨界晶核半徑較小 B B 、在未熔雜質(zhì)上不需要再形核、在未熔雜質(zhì)上不需要再形核 C C 、非均勻形核的臨界形核功較小、非均勻形核的臨界形核功較小4. 4. 晶體以螺型位錯(cuò)機(jī)制生長(zhǎng)時(shí)，其長(zhǎng)大速率與過(guò)冷度呈：晶體以螺型位錯(cuò)機(jī)制生長(zhǎng)時(shí)，其長(zhǎng)大速率與過(guò)冷度呈： ( )( ) A A 、指數(shù)關(guān)系、指數(shù)關(guān)系 B B 、線性關(guān)系、線性關(guān)系 C C 、平方關(guān)系、平方關(guān)系Company Logo5. 5. 金屬的熔點(diǎn)是：金屬的熔點(diǎn)是：( )( ) A A 、冷卻曲線上出現(xiàn)平臺(tái)的溫度、冷卻曲線上出現(xiàn)平臺(tái)的溫度 B B 、液相與固相自由能隨溫度變化曲線上相交的溫度、液相與固相自由能隨溫度變化

6、曲線上相交的溫度 C C 、第一批晶核形成時(shí)所對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度、第一批晶核形成時(shí)所對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度6. 6. 根據(jù)均勻形核理論可知：根據(jù)均勻形核理論可知：( )( ) A A、凡是液相中短程規(guī)則原子小集團(tuán)無(wú)論尺寸大小都可以、凡是液相中短程規(guī)則原子小集團(tuán)無(wú)論尺寸大小都可以成為晶核成為晶核 B B、 凡是液相中尺寸大于凡是液相中尺寸大于r r* *而且又能取得形核功的短程規(guī)而且又能取得形核功的短程規(guī)則原子小集團(tuán)才能成為晶核則原子小集團(tuán)才能成為晶核 C C 、液相中不但尺寸大于、液相中不但尺寸大于r r* *而且又能取得形核功的短程規(guī)而且又能取得形核功的短程規(guī)則原子小集團(tuán)才可能成為晶核則原子小集團(tuán)才可能

7、成為晶核 Company Logo7. 7. 若液固界面粗糙界面時(shí)，晶體長(zhǎng)大的方式是：若液固界面粗糙界面時(shí)，晶體長(zhǎng)大的方式是：( )( ) A A、 垂直長(zhǎng)大垂直長(zhǎng)大 B B 、晶體缺陷處長(zhǎng)大、晶體缺陷處長(zhǎng)大 C C 、二維晶核長(zhǎng)大、二維晶核長(zhǎng)大8. 8. 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：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：( )( ) A A、 表面能表面能 B B 、凝固釋放熱、凝固釋放熱 C C 、過(guò)冷度、過(guò)冷度Company Logo9. 9. 冷卻曲線上的平臺(tái)溫度是系統(tǒng)向外界散失熱量與結(jié)晶潛熱冷卻曲線上的平臺(tái)溫度是系統(tǒng)向外界散失熱量與結(jié)晶潛熱補(bǔ)償溫度熱

8、量相等的溫度，因此：補(bǔ)償溫度熱量相等的溫度，因此：( )( ) A A、平臺(tái)溫度就是金屬熔點(diǎn)，為一常數(shù)、平臺(tái)溫度就是金屬熔點(diǎn)，為一常數(shù) B B 、平臺(tái)溫度與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，平臺(tái)溫度越低、平臺(tái)溫度與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，平臺(tái)溫度越低 C C 、平臺(tái)溫度隨冷卻速度增大而升高、平臺(tái)溫度隨冷卻速度增大而升高10. 10. 純金屬材料凝固后的晶粒大小主要決定于：純金屬材料凝固后的晶粒大小主要決定于：( )( ) A A 、溫度梯度的正、負(fù)、溫度梯度的正、負(fù) B B 、過(guò)冷度的大小、過(guò)冷度的大小 C C 、晶體的長(zhǎng)大方式、晶體的長(zhǎng)大方式Company Logo11. 11. 非均勻形核要比均勻形

9、核容易，主要原因是：非均勻形核要比均勻形核容易，主要原因是： ( )( ) A A 、現(xiàn)成的固體晶粒本身就是一個(gè)晶核，無(wú)需結(jié)構(gòu)起伏、現(xiàn)成的固體晶粒本身就是一個(gè)晶核，無(wú)需結(jié)構(gòu)起伏 B B 、雖有固體顆粒，也需形核，但形核功要小、雖有固體顆粒，也需形核，但形核功要小 C C 、同均勻形核相同，只不過(guò)減小了短程規(guī)則原子小集團(tuán)、同均勻形核相同，只不過(guò)減小了短程規(guī)則原子小集團(tuán)尺寸，減少了形核功尺寸，減少了形核功12. 12. 純金屬凝固時(shí)發(fā)生均勻形核的最大過(guò)冷度約為：純金屬凝固時(shí)發(fā)生均勻形核的最大過(guò)冷度約為：( )( ) A A 、1/2 Tm1/2 Tm B B、 1/5 Tm1/5 Tm C C 、

10、2/3 Tm2/3 TmCompany Logo13. 13. 液體金屬中只有形成等于或大于臨界半徑的晶核才能成液體金屬中只有形成等于或大于臨界半徑的晶核才能成為結(jié)晶的核心。當(dāng)形成半徑為為結(jié)晶的核心。當(dāng)形成半徑為r r* *的臨界核心，體系的自由的臨界核心，體系的自由能變化：能變化：( )( ) A A 、大于零、大于零 B B 、等于零、等于零 C C 、小于零、小于零14. 14. 形成臨界晶核時(shí)體積自由能的減小只能補(bǔ)償新增表面能形成臨界晶核時(shí)體積自由能的減小只能補(bǔ)償新增表面能的：的：( )( ) A A 、1/31/3 B B 、2/3 2/3 C C 、3/4 3/4 Company

11、Logo15. 15. 自發(fā)成核的生核率與過(guò)冷度的關(guān)系是：自發(fā)成核的生核率與過(guò)冷度的關(guān)系是：( )( ) A A 、過(guò)冷度越大，自發(fā)生核的生核率越大、過(guò)冷度越大，自發(fā)生核的生核率越大 B B 、過(guò)冷度越小，自發(fā)生核的生核率越大、過(guò)冷度越小，自發(fā)生核的生核率越大 C C 、自發(fā)生核的生核率與過(guò)冷度大小無(wú)關(guān)、自發(fā)生核的生核率與過(guò)冷度大小無(wú)關(guān) D D、 過(guò)冷度過(guò)大或過(guò)小時(shí)，自發(fā)生核的生核率都小過(guò)冷度過(guò)大或過(guò)小時(shí)，自發(fā)生核的生核率都小16. 16. 晶粒的大小稱(chēng)晶粒度，工程上通常把晶粒分成晶粒的大小稱(chēng)晶粒度，工程上通常把晶粒分成1 1、2 2、 .8 .8等級(jí)別。等級(jí)別。8 8級(jí)晶粒度的晶粒比級(jí)晶粒度

12、的晶粒比1 1級(jí)晶粒度的晶粒要級(jí)晶粒度的晶粒要（ ）。）。 A A、 粗粗 B B、 細(xì)細(xì)Company Logo17.17.在實(shí)際生產(chǎn)中，細(xì)化鑄造金屬晶粒的主要措施是在實(shí)際生產(chǎn)中，細(xì)化鑄造金屬晶粒的主要措施是 ( )( )。 A A、 降低金屬的過(guò)冷度和變質(zhì)處理降低金屬的過(guò)冷度和變質(zhì)處理 B B 、降低金屬的過(guò)冷度和調(diào)質(zhì)處理、降低金屬的過(guò)冷度和調(diào)質(zhì)處理 C C 、提高金屬的過(guò)冷度和變質(zhì)處理、提高金屬的過(guò)冷度和變質(zhì)處理 D D 、提高金屬的過(guò)冷度和調(diào)質(zhì)處理、提高金屬的過(guò)冷度和調(diào)質(zhì)處理18. 18. 在一般情況下在一般情況下, ,若金屬的晶粒細(xì)，則若金屬的晶粒細(xì)，則 ( )( )。 A A、 金

13、屬的強(qiáng)度高，塑性好，韌性好金屬的強(qiáng)度高，塑性好，韌性好 B B 、金屬的強(qiáng)度高，塑性好，韌性差、金屬的強(qiáng)度高，塑性好，韌性差 C C 、金屬的強(qiáng)度高，塑性差，韌性好、金屬的強(qiáng)度高，塑性差，韌性好 D D 、金屬的強(qiáng)度低，塑性好，韌性好、金屬的強(qiáng)度低，塑性好，韌性好Company Logo19.19.為使鋁錠晶粒細(xì)小，澆鑄時(shí)應(yīng)采用的模子是為使鋁錠晶粒細(xì)小，澆鑄時(shí)應(yīng)采用的模子是 （ ） A A 、冷砂模、冷砂模 B B 、熱砂模、熱砂模 C C 、冷金屬模、冷金屬模 D D 、熱金屬模、熱金屬模20. 20. 純金屬均勻形核時(shí)純金屬均勻形核時(shí) （ ） A A 、當(dāng)過(guò)冷度、當(dāng)過(guò)冷度T T很小時(shí)，原子

14、可動(dòng)性低，相變驅(qū)動(dòng)力很小時(shí)，原子可動(dòng)性低，相變驅(qū)動(dòng)力 低，低，因此，形核率低；因此，形核率低； B B、當(dāng)過(guò)冷度、當(dāng)過(guò)冷度T T很小時(shí)，原子可動(dòng)性高，相變驅(qū)動(dòng)力高，很小時(shí)，原子可動(dòng)性高，相變驅(qū)動(dòng)力高，因此，形核率低；因此，形核率低； C C、當(dāng)過(guò)冷度、當(dāng)過(guò)冷度T T很小時(shí)，原子可動(dòng)性低，相變驅(qū)動(dòng)力高，很小時(shí)，原子可動(dòng)性低，相變驅(qū)動(dòng)力高，因此，形核率低；因此，形核率低； D D、當(dāng)過(guò)冷度、當(dāng)過(guò)冷度T T很小時(shí)，原子可動(dòng)性高，相變驅(qū)動(dòng)力低，很小時(shí)，原子可動(dòng)性高，相變驅(qū)動(dòng)力低，因此，形核率低。因此，形核率低。Company Logov形核率與過(guò)冷度的關(guān)系為具有極大值的曲線，因此，當(dāng)形核率與過(guò)冷度的關(guān)

15、系為具有極大值的曲線，因此，當(dāng)金屬結(jié)晶時(shí)超過(guò)一定過(guò)冷度反而會(huì)使形核率下降。（金屬結(jié)晶時(shí)超過(guò)一定過(guò)冷度反而會(huì)使形核率下降。（ ）v變質(zhì)處理不僅是加入形核劑促進(jìn)非均勻形核而且也可以變質(zhì)處理不僅是加入形核劑促進(jìn)非均勻形核而且也可以阻礙晶核長(zhǎng)大促使晶粒細(xì)化。（阻礙晶核長(zhǎng)大促使晶粒細(xì)化。（ ）v金屬結(jié)晶時(shí)，體積自由能只能補(bǔ)償表面能的金屬結(jié)晶時(shí)，體積自由能只能補(bǔ)償表面能的1/31/3，尚有，尚有2/32/3能量需依靠能量起伏供給，我們把這部分能量叫形核能量需依靠能量起伏供給，我們把這部分能量叫形核功。（功。（ ） v非均勻形核時(shí)，形核功大小與潤(rùn)濕角有關(guān)，潤(rùn)濕角愈大非均勻形核時(shí)，形核功大小與潤(rùn)濕角有關(guān)，潤(rùn)濕

16、角愈大形核功愈小。（形核功愈小。（ ）v金屬結(jié)晶時(shí)，液態(tài)原子由無(wú)序排列轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚺帕?，熵金屬結(jié)晶時(shí)，液態(tài)原子由無(wú)序排列轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚺帕?，熵值不斷減小，所以結(jié)晶過(guò)程是一個(gè)自發(fā)過(guò)程。（值不斷減小，所以結(jié)晶過(guò)程是一個(gè)自發(fā)過(guò)程。（ ）Company Logov在任何過(guò)冷度下液態(tài)金屬中出現(xiàn)的最大的結(jié)構(gòu)起伏都是在任何過(guò)冷度下液態(tài)金屬中出現(xiàn)的最大的結(jié)構(gòu)起伏都是晶核。（晶核。（ ）v光滑界面一般指平直界面，粗糙界面在微觀角度是鋸齒光滑界面一般指平直界面，粗糙界面在微觀角度是鋸齒狀的小平面界面。（狀的小平面界面。（ ）v液態(tài)金屬中存在著許多尺寸不同的短程有序的原子小集液態(tài)金屬中存在著許多尺寸不同的短程有序的原子小

17、集團(tuán)，這些小集團(tuán)不會(huì)消失都能不斷長(zhǎng)大，而發(fā)展為晶核。團(tuán)，這些小集團(tuán)不會(huì)消失都能不斷長(zhǎng)大，而發(fā)展為晶核。 （ ）v在液態(tài)金屬如出現(xiàn)大于臨界晶核半徑的晶胚，表明一經(jīng)在液態(tài)金屬如出現(xiàn)大于臨界晶核半徑的晶胚，表明一經(jīng)取得了形核功，就一定能長(zhǎng)大。（取得了形核功，就一定能長(zhǎng)大。（ ） v冷卻曲線上因結(jié)晶潛熱釋放所出現(xiàn)的平臺(tái)溫度亦稱(chēng)為實(shí)冷卻曲線上因結(jié)晶潛熱釋放所出現(xiàn)的平臺(tái)溫度亦稱(chēng)為實(shí)際結(jié)晶溫度。（際結(jié)晶溫度。（ ）v過(guò)冷度愈大，臨界晶核半徑尺寸愈小，形核功愈大。過(guò)冷度愈大，臨界晶核半徑尺寸愈小，形核功愈大。 Company Logo12.12.非均勻形核時(shí)，臨界晶核（曲率）半徑?jīng)Q定了晶核非均勻形核時(shí)，臨界晶

18、核（曲率）半徑?jīng)Q定了晶核 的形狀和體積大小（的形狀和體積大?。?）13.13.液態(tài)金屬只要過(guò)冷到其熔點(diǎn)一下就會(huì)發(fā)生結(jié)晶（液態(tài)金屬只要過(guò)冷到其熔點(diǎn)一下就會(huì)發(fā)生結(jié)晶（ ）14.14.晶粒度級(jí)數(shù)越大，晶粒越細(xì)。（晶粒度級(jí)數(shù)越大，晶粒越細(xì)。（ ）Company Logo越大越大v 金屬結(jié)晶的過(guò)冷度越大，結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力金屬結(jié)晶的過(guò)冷度越大，結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力 ，臨界晶核尺寸，臨界晶核尺寸 ，臨界形核功臨界形核功 ，形核率，形核率 ，結(jié)晶后的晶粒尺寸，結(jié)晶后的晶粒尺寸 ，金，金屬?gòu)?qiáng)度屬?gòu)?qiáng)度 。2. 2. 從微觀上看，結(jié)晶時(shí)的液固相界面有從微觀上看，結(jié)晶時(shí)的液固相界面有 界面和界面和 界面，典型金界面，典型金屬的液固相

19、界面屬于屬的液固相界面屬于 界面，它以界面，它以 機(jī)制生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)速機(jī)制生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)速率較率較 。3. 3. 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)為短程液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)為短程 ，長(zhǎng)程，長(zhǎng)程 ，純金屬和合金結(jié)晶的，純金屬和合金結(jié)晶的必要條件是必要條件是 ，它們都是通過(guò)，它們都是通過(guò) 和和 完成結(jié)晶的，但純金屬是在完成結(jié)晶的，但純金屬是在 條件下結(jié)晶，形核需要條件下結(jié)晶，形核需要 起伏起伏 和和 起伏，而固溶體合金時(shí)的自由度為起伏，而固溶體合金時(shí)的自由度為 ，因此是，因此是在在 條件下才能結(jié)晶完成，形核還需要條件下才能結(jié)晶完成，形核還需要 起伏。起伏。 越小越小越小越小越大越大越小越小越高越高光滑光滑粗糙粗糙粗糙粗糙垂直

20、垂直快快有序有序無(wú)序無(wú)序過(guò)冷過(guò)冷形核形核 長(zhǎng)大長(zhǎng)大恒溫恒溫結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)能量能量1變溫變溫成分成分Company Logo4. 4. 對(duì)于對(duì)于 ，由于界面上約有一半的原子位置空著，故液，由于界面上約有一半的原子位置空著，故液相的原子可以進(jìn)入這些位置與晶體結(jié)合起來(lái)，晶體便相的原子可以進(jìn)入這些位置與晶體結(jié)合起來(lái)，晶體便 地地向液相中生長(zhǎng)，故這種長(zhǎng)大方式為向液相中生長(zhǎng)，故這種長(zhǎng)大方式為 。5.5.當(dāng)對(duì)金屬液體進(jìn)行變質(zhì)處理時(shí)，變質(zhì)劑的作用是當(dāng)對(duì)金屬液體進(jìn)行變質(zhì)處理時(shí)，變質(zhì)劑的作用是 。6.6.液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)，結(jié)晶過(guò)程的推動(dòng)力是液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)，結(jié)晶過(guò)程的推動(dòng)力是 ，阻力是阻力是 。7.7.非金屬的液固相界面屬

21、非金屬的液固相界面屬 界面，它以界面，它以 機(jī)制生長(zhǎng)，機(jī)制生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)速度其生長(zhǎng)速度 。8.8.物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱(chēng)為物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱(chēng)為 。凝固后的物質(zhì)可以是。凝固后的物質(zhì)可以是晶體，也可以是非晶體。若凝固后的物質(zhì)為晶體，則這種凝固稱(chēng)晶體，也可以是非晶體。若凝固后的物質(zhì)為晶體，則這種凝固稱(chēng)為為 。結(jié)晶時(shí)的液固相界面微觀上觀察有光滑界面和粗糙界面。結(jié)晶時(shí)的液固相界面微觀上觀察有光滑界面和粗糙界面。 粗糙界面粗糙界面 連續(xù)連續(xù) 垂直生長(zhǎng)垂直生長(zhǎng) 促進(jìn)非均勻形核促進(jìn)非均勻形核 體積自由能的降低體積自由能的降低 表面自由能的增加表面自由能的增加 光滑光滑 二維晶核二維晶核 慢慢 凝

22、固凝固 結(jié)晶結(jié)晶 Company Logo1. 1.什么叫臨界晶核？它的物理意義及與過(guò)冷度的定量關(guān)系如什么叫臨界晶核？它的物理意義及與過(guò)冷度的定量關(guān)系如何？何？v 根據(jù)自由能與晶坯半徑的變化關(guān)系，可以知道根據(jù)自由能與晶坯半徑的變化關(guān)系，可以知道rrrrrr* *的晶胚才有可能成核；而的晶胚才有可能成核；而r=rr=r* *的晶胚既可的晶胚既可能消失，也可能穩(wěn)定長(zhǎng)大。因此，半徑為能消失，也可能穩(wěn)定長(zhǎng)大。因此，半徑為r r* *的晶胚稱(chēng)為臨的晶胚稱(chēng)為臨界晶核。其物理意義是，過(guò)冷液體中涌現(xiàn)出來(lái)的短程有序界晶核。其物理意義是，過(guò)冷液體中涌現(xiàn)出來(lái)的短程有序的原子團(tuán)，當(dāng)其尺寸的原子團(tuán)，當(dāng)其尺寸rrrr*

23、*時(shí)，這樣的原子團(tuán)便可成為晶核時(shí)，這樣的原子團(tuán)便可成為晶核而長(zhǎng)大。臨界晶核半徑而長(zhǎng)大。臨界晶核半徑r r* *，其大小與過(guò)冷度有關(guān)。，其大小與過(guò)冷度有關(guān)。TLTrmm12*Company Logo2. 2. 若在晶體中形成一個(gè)半徑為若在晶體中形成一個(gè)半徑為r r的球形晶核時(shí)，證明臨界形核的球形晶核時(shí)，證明臨界形核功功GcGc與臨界晶核體積與臨界晶核體積VcVc之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為 證明：證明：VCCGVG213333332)2(34*34VVCGGrVVCCGVG21Company Logo3. 3. 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。試述結(jié)晶相變的熱力學(xué)條件、動(dòng)力學(xué)條

24、件、能量及結(jié)構(gòu)條件。答：答： 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G G0 0；由單位體積自由能的變化由單位體積自由能的變化 可知，只有可知，只有T T00，才有，才有G Gv v0 0。即。即只有過(guò)冷，才能使只有過(guò)冷，才能使G GB B0 0。 動(dòng)力學(xué)條件為液固界面前沿液體的溫度動(dòng)力學(xué)條件為液固界面前沿液體的溫度T Ti i T Tm m（熔點(diǎn)），即存在動(dòng)態(tài)過(guò)（熔點(diǎn)），即存在動(dòng)態(tài)過(guò)冷。冷。 由臨界晶核形成功由臨界晶核形成功 可知，當(dāng)形成一個(gè)臨界晶核時(shí)，還有可知，當(dāng)形成一個(gè)臨界晶核時(shí)，還有 1/31/3的表面的表面能必須由液體

25、中的能量起伏來(lái)提供。能必須由液體中的能量起伏來(lái)提供。 液體中存在的結(jié)構(gòu)起伏，是結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生晶核的基礎(chǔ)。因此，結(jié)構(gòu)起伏是液體中存在的結(jié)構(gòu)起伏，是結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生晶核的基礎(chǔ)。因此，結(jié)構(gòu)起伏是結(jié)晶過(guò)程必須具備的結(jié)構(gòu)條件。結(jié)晶過(guò)程必須具備的結(jié)構(gòu)條件。/VmmGLT T 13ASCompany Logo4. 4.分析純金屬生長(zhǎng)形態(tài)與溫度梯度的關(guān)系。分析純金屬生長(zhǎng)形態(tài)與溫度梯度的關(guān)系。 純金屬生長(zhǎng)形態(tài)是指晶體宏觀長(zhǎng)大時(shí)界面的形貌。界面形貌取決于界純金屬生長(zhǎng)形態(tài)是指晶體宏觀長(zhǎng)大時(shí)界面的形貌。界面形貌取決于界面前沿液體的溫度分布。面前沿液體的溫度分布。 (1) (1) 平面狀長(zhǎng)大平面狀長(zhǎng)大：當(dāng)液體具有正溫度梯度時(shí)，晶

26、體以平直界面方式推移長(zhǎng)：當(dāng)液體具有正溫度梯度時(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、小的凸起伸入液體時(shí)，都會(huì)使其過(guò)冷大。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(guò)冷度減小，長(zhǎng)大速率降低或停止長(zhǎng)大，而被周?chē)糠众s上，因而能保持度減小，長(zhǎng)大速率降低或停止長(zhǎng)大，而被周?chē)糠众s上，因而能保持平直界面的推移。長(zhǎng)大中晶體沿平行溫度梯度的方向生長(zhǎng)，或沿散熱平直界面的推移。長(zhǎng)大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)，而其他方向的生長(zhǎng)則受到抑制。的反方向生長(zhǎng)，而其他方向的生長(zhǎng)則受到抑制。(2) (2) 樹(shù)枝狀長(zhǎng)大樹(shù)枝狀長(zhǎng)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

27、起：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(guò)冷度，有利于晶體長(zhǎng)大和伸入前沿液體時(shí)，由于前方液體有更大的過(guò)冷度，有利于晶體長(zhǎng)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(guò)冷度降低，因此，類(lèi)似的枝晶只在相鄰一定使鄰近液體溫度升高，過(guò)冷度降低，因此，類(lèi)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，這種負(fù)溫度梯度使一次軸上又長(zhǎng)出二次軸分枝。同樣，還會(huì)度要高，

28、這種負(fù)溫度梯度使一次軸上又長(zhǎng)出二次軸分枝。同樣，還會(huì)產(chǎn)生多次分枝。枝晶生長(zhǎng)的最后階段，由于凝固潛熱放出，使枝晶周產(chǎn)生多次分枝。枝晶生長(zhǎng)的最后階段，由于凝固潛熱放出，使枝晶周?chē)囊后w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(zhǎng)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(zhǎng)大依靠平界面方式推進(jìn)，直至枝晶間隙全部被填滿為止。大依靠平界面方式推進(jìn)，直至枝晶間隙全部被填滿為止。 Company Logo5. 5. 如果純鎳凝固時(shí)的最大過(guò)冷度與其熔點(diǎn)（如果純鎳凝固時(shí)的最大過(guò)冷度與其熔點(diǎn)（T Tm m=1453 )=1453 )的比的比值為值為0.180.18，試求其凝固驅(qū)動(dòng)力。（，試

29、求其凝固驅(qū)動(dòng)力。（ H H=-18075 J/mol)=-18075 J/mol)解：解： 則則 0.18mTT18075 0.183253.5mVmLTGJT Company Logo6. 6.試分析單晶體形成的基本條件。試分析單晶體形成的基本條件。答：形成單晶體的基本條件是使液體金屬結(jié)晶時(shí)只產(chǎn)生一個(gè)答：形成單晶體的基本條件是使液體金屬結(jié)晶時(shí)只產(chǎn)生一個(gè)核心（或只有一個(gè)核心能夠長(zhǎng)大）并長(zhǎng)大成單晶體。核心（或只有一個(gè)核心能夠長(zhǎng)大）并長(zhǎng)大成單晶體。 Company Logo7. 7.根據(jù)凝固理論，試述細(xì)化晶粒的基本途徑。根據(jù)凝固理論，試述細(xì)化晶粒的基本途徑。由凝固理論可知，結(jié)晶時(shí)單位體積中的晶粒數(shù)

30、目由凝固理論可知，結(jié)晶時(shí)單位體積中的晶粒數(shù)目Z Z取決于形核率取決于形核率N N和晶體和晶體長(zhǎng)大速率長(zhǎng)大速率VgVg兩個(gè)因素，即即兩個(gè)因素，即即ZN/Vg ZN/Vg ?；就緩剑??；就緩剑海? 1）增加過(guò)冷度增加過(guò)冷度T T。T T增加，增加，N N和和VgVg隨之增加但是隨之增加但是N N的增長(zhǎng)率大于的增長(zhǎng)率大于VgVg的增長(zhǎng)率。因而，的增長(zhǎng)率。因而，N/VgN/Vg的值增加，即的值增加，即Z Z增多。增多。（2 2）加入形核質(zhì)，即變質(zhì)處理。加入形核質(zhì)，即變質(zhì)處理。加入形核質(zhì)后，可以促使過(guò)冷液體發(fā)生加入形核質(zhì)后，可以促使過(guò)冷液體發(fā)生非均勻形核。即不但使非均勻形核所需要的基底增多，而且使臨

31、界晶非均勻形核。即不但使非均勻形核所需要的基底增多，而且使臨界晶核體積減小，這都將使品核數(shù)目增加，從而細(xì)化晶粒。核體積減小，這都將使品核數(shù)目增加，從而細(xì)化晶粒。（3 3）振動(dòng)結(jié)晶振動(dòng)結(jié)晶。振動(dòng)，一方面提供了形核所需要的能量，另一方面可以。振動(dòng)，一方面提供了形核所需要的能量，另一方面可以使正在生長(zhǎng)的晶體破斷，可增加更多的結(jié)晶核心，從而使晶粒細(xì)化。使正在生長(zhǎng)的晶體破斷，可增加更多的結(jié)晶核心，從而使晶粒細(xì)化。 Company Logo8. 8. 證明均勻形核的臨界形核功證明均勻形核的臨界形核功G*等于表面能的等于表面能的 1/3 1/3 （注：?jiǎn)挝幻娣e表（注：?jiǎn)挝幻娣e表面能用面能用 表示，單位體積固

32、相與液相的自由能差值用表示，單位體積固相與液相的自由能差值用G表示）。表示）。Company Logo9. 9. 什么是能量起伏？它與晶體均勻形核有什么關(guān)系？什么是能量起伏？它與晶體均勻形核有什么關(guān)系？答：能量起伏是指體系中微小體積所具有的能量偏離體系的答：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。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界晶核表面所需能量的2/32/3，而不足的，而不

33、足的1/31/3則需依靠液相中則需依靠液相中存在的能量起伏來(lái)補(bǔ)充。存在的能量起伏來(lái)補(bǔ)充。 Company Logo10. 10. 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？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穑簝烧卟幌嗤话闱闆r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)行勻形核時(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

34、功的大小取決于晶核和形核位置之間的界面能和接觸角，的，其形核功的大小取決于晶核和形核位置之間的界面能和接觸角，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。，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)只有在形核位置與金屬完全不潤(rùn)濕的情況下，此時(shí) ，即非均，即非均形核功的形核功才和均勻形核的形核功相等。形核功的形核功才和均勻形核的形核功相等。 ( )1f( )1f323coscos( )4GfG*非*均Company Logo

35、11. 11. 常壓下，冰、水、汽三相能夠共存嗎？為什么？常壓下，冰、水、汽三相能夠共存嗎？為什么？答：不可以，根據(jù)相律，三相共存時(shí)，即只有在特定溫度和答：不可以，根據(jù)相律，三相共存時(shí)，即只有在特定溫度和壓力下，三相才能共存。壓力下，三相才能共存。 Company Logo12. 12. 已知銅的熔點(diǎn)已知銅的熔點(diǎn)T Tm m=1083=1083，熔化潛熱，熔化潛熱L Lm m=1.88=1.8810103 3 J/cm J/cm3 3, ,比表面能比表面能=1.44=1.4410105 5 J/cm J/cm2 2。 (1) (1) 試計(jì)算試計(jì)算CuCu在在853853均勻形核時(shí)的臨界晶核半徑？均勻形核時(shí)的臨界晶核半徑？ (2) (2) 已知已知CuCu相對(duì)原子量為相對(duì)原子量為63.563.5，密度為，密度為8.9 g/cm8.9 g/cm3 3，求臨界晶，求臨界晶核中的原子數(shù)。核中的原子數(shù)。解：解： Company Logo Company Logo13. 考慮在一個(gè)大氣壓下液態(tài)鋁的凝固，對(duì)