作業(yè)材料物理習(xí)題課

純金屬的凝固凝固：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(chēng)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?！鱐=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-固界面上的原子排列較規(guī)則，界面處兩相截然分開(kāi)。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(chēng)柱狀晶等軸晶：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(chēng)為等軸晶樹(shù)枝狀晶：結(jié)晶時(shí)，固液界面將以樹(shù)枝方式在空間中遷移，這樣形成的晶粒稱(chēng)樹(shù)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(lèi)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(chēng)性2

、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：(1)求臨界晶核半徑(2)證明(為臨界晶核體積)；(3)說(shuō)明上式的物理意義。變化很小，視為常數(shù)時(shí)單位體積自由能：故有：解：由題：故有：解得：臨界形核功臨界晶核體積為所以將代入臨界晶核表面積故有：故有：或?qū)⒋?/p>

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、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。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??；3、非均勻形核時(shí)晶核形狀和體積由臨界晶核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)。4

、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(chēng)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)冷度就是可以保證只形成一個(gè)晶核，長(zhǎng)成一整塊單晶體。5

、分析在負(fù)溫度梯度下，液態(tài)金屬結(jié)晶出樹(shù)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(shù)枝狀生長(zhǎng)，結(jié)晶出樹(shù)枝晶

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、在同樣的負(fù)溫度梯下，為什么Pb結(jié)晶出樹(shù)枝狀晶而Si的結(jié)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(shù)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、實(shí)際生產(chǎn)中怎樣控制鑄件的晶粒大??？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

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何謂非晶態(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(chēng)性，或者是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)，鏡面對(duì)稱(chēng)，角對(duì)稱(chēng)（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(chēng)為“玻璃態(tài)”，所以非晶態(tài)金屬又稱(chēng)為“金屬玻璃”或“玻璃態(tài)金屬”。

由于傳統(tǒng)的金屬材料都以晶態(tài)形式出現(xiàn)。但這類(lèi)金屬熔體，由于極快的速率急劇冷卻，例如每秒鐘冷卻溫度大于100萬(wàn)度，冷卻速度極快，而高溫下液態(tài)時(shí)原子呈無(wú)序狀態(tài)，因被迅速“凍結(jié)”而形成無(wú)定形的固體，此時(shí)這稱(chēng)為非晶態(tài)金屬；由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與玻璃相似，故又稱(chēng)金屬玻璃。

這種材料強(qiáng)度和韌性兼具，即強(qiáng)度高而韌性好，一般的金屬在兩點(diǎn)上是相互矛盾的，即強(qiáng)度高而韌性低，或與此相反。而對(duì)于非晶態(tài)金屬，其耐磨性也明顯地高于鋼鐵材料。

非晶態(tài)金屬還具有優(yōu)異的耐蝕性，遠(yuǎn)優(yōu)于典型的不銹鋼，這可能是因?yàn)槠浔砻嬉仔纬杀《旅艿拟g化膜；同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)均勻，沒(méi)有金屬晶體中經(jīng)常存在的晶粒、晶界和缺陷，所以不易產(chǎn)生引起電化學(xué)腐蝕

并且非晶態(tài)金屬還具有優(yōu)良的磁學(xué)性能；由于其電阻率比一般金屬晶體高，可以大大減少渦流損失，低損耗、高磁導(dǎo)，故使其成為引人注目的新型材料，也被譽(yù)為節(jié)能的“綠色材料”。

另外，非晶態(tài)金屬有明顯的催化性能；它還可作為儲(chǔ)氫材料。

但是非晶態(tài)合金也有其致命弱點(diǎn)，即其在500度以上時(shí)就會(huì)發(fā)生結(jié)晶化過(guò)程，因而使材料的使用溫度受到限制。還有其制造成本較高，這點(diǎn)也限制非晶態(tài)金屬?gòu)V泛應(yīng)用。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。制備非晶態(tài)金屬的方法主要有3類(lèi)：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。9

、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體的組織、結(jié)構(gòu)?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)定性等。另外，還具有高的電阻率，較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度、高的矯頑力等。準(zhǔn)晶合金準(zhǔn)晶是一種介于晶體和非晶體之間的固體。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(chēng)性，因而可以具有晶體所不允許的宏觀對(duì)稱(chēng)性。普通晶體只能具有二次、三次、四次或六次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，但是準(zhǔn)晶的布拉格衍射圖具有其他的對(duì)稱(chēng)性，例如五次對(duì)稱(chēng)性或者更高的如六次以上的對(duì)稱(chēng)性。第七章合金相與相圖1、簡(jiǎn)述相圖的組成并描述制作相圖的方法。相圖是表示在平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)狀態(tài)或相的轉(zhuǎn)變與成分、溫度及壓力間關(guān)系的圖解，每一個(gè)相圖都由組元、相區(qū)、相界線、組織組成。制作相圖的方法：①配制一系列成分不同的合金；②測(cè)所配合金的冷卻曲線；③找出各冷卻曲線上的臨界點(diǎn)；④將臨界點(diǎn)標(biāo)在以“溫度-成分”坐標(biāo)系中的相應(yīng)位置，將意義相同的臨界點(diǎn)連接起來(lái)。2、簡(jiǎn)述相律中各項(xiàng)的含義，應(yīng)用相律說(shuō)明在常壓下，一員、二元、三元系統(tǒng)中最大的相數(shù)格式多少。相律f=n+2-p,f是體系的自由度數(shù)，即不影響體系平衡狀態(tài)的獨(dú)立可變參數(shù)的數(shù)目；n是指體系中組元的個(gè)數(shù)；p是體系中相的個(gè)數(shù)。常壓下，相律為f=n+1-p，故對(duì)一元體系，最多有兩相共存，二元體系最多有三相共存，三元體系最多有四相共存。3、簡(jiǎn)述合金與純金屬的區(qū)別。如何理解相、單相合金、多相合金。合金：兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬經(jīng)一定方法合成的具有金屬特性的物質(zhì)。純金屬是一種金屬元素構(gòu)成的材料。相：合金中具有同一聚集狀態(tài),同一化學(xué)成分、同一晶體晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并以界面相互隔開(kāi)的均勻組成部分。單相合金：該合金以單一相存在。多相合金：在一定條件下，合金中有多個(gè)相共存。4、合金相分為哪幾類(lèi)？從晶體結(jié)構(gòu)上講，純金屬、固溶體、化合物之間有何區(qū)別？合金相通常按在相圖中的位置分為固溶體和中間相（或金屬化合物）。純金屬有完美的晶體結(jié)構(gòu)，原子排列具有周期性、對(duì)稱(chēng)性；固溶體是溶劑結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)大致保留，但是引入了間隙或置換溶質(zhì)原子，從而組成了異類(lèi)原子混合的固態(tài)熔體，相當(dāng)于溶劑晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生較大程度的畸變；金屬化合物的組成原子有固定比例，溶劑的原有結(jié)構(gòu)因溶質(zhì)原子的插入而被完全破壞，形成了另一種有序的結(jié)構(gòu)。5、影響合金結(jié)構(gòu)的因素主要有哪些？電子因素：指與核外電子及電子遷移所引起的離子性有關(guān)的因素。如異類(lèi)原子價(jià)電子數(shù)目相差較大時(shí)，有利于形成金屬化合物。電負(fù)性：指合金組元原子之間的電化學(xué)親和能力及其形成化合物傾向的判斷依據(jù)。如電負(fù)性相差越大，越易形成金屬化合物。原子尺寸因素：指組元間原子半徑之差與其中一組元原子半徑之比。當(dāng)組元之間電負(fù)性相差不大時(shí)，原子尺寸相差越小，越易形成固溶體。(1)按溶質(zhì)原子在點(diǎn)陣中所占位置分為：置換固溶體：溶質(zhì)原子置換了溶劑點(diǎn)陣中部分溶劑原子。間隙固溶體：溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙中。(2)按溶質(zhì)原子在溶劑原子中溶解度（固溶度）分類(lèi)：有限固溶體：在一定條件下,溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解量有一個(gè)上限,起過(guò)這個(gè)限度就形成新相。無(wú)限固溶體：溶質(zhì)原子可以任意比例溶入溶劑晶格中形成的。(3)按溶質(zhì)原子在溶劑中的分布特點(diǎn)分類(lèi)無(wú)序固溶體：溶質(zhì)原子在溶劑中任意分布,無(wú)規(guī)律性。有序固溶體：溶質(zhì)原子按一定比例和有規(guī)律分布在溶劑晶格的點(diǎn)陣或間隙里。(4)按基體類(lèi)型分類(lèi)：一次固溶體：以純金屬為基形成的固溶體。二次固溶體：以化合物為基形成的固溶體。6、固溶體可以分為哪幾類(lèi)?說(shuō)明各類(lèi)固溶體之間在結(jié)構(gòu)上的差異？形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金屬元素，如氫、碳、硼、氮等，而溶劑元素一般為過(guò)渡族元素；溶質(zhì)原子通常比間隙大，會(huì)引起很大的晶格畸變；通常為無(wú)序固溶體；間隙數(shù)目有限，故溶解度有限，只能形成有限固溶體。形成置換固溶體的組成元素的原子半徑、電化學(xué)特性相近，晶格類(lèi)型相同；由于元素間的差距，必然會(huì)引起晶格畸變；有可能形成無(wú)限固溶體；視同類(lèi)原子和異類(lèi)原子間結(jié)合力的相對(duì)大小，可形成完全無(wú)序、偏聚、部分有序、完全有序固溶體。7、普通低碳鋼在室溫下由鐵素體和滲碳體組成。鐵素體是體心立方，鐵原子位于陣點(diǎn)，碳原子位于間隙；滲碳體是正交結(jié)構(gòu)，請(qǐng)問(wèn)鐵素體和滲碳體是固溶體還是化合物？若為固溶體，是哪種固溶體？剛在室溫下是單相還是多相？鐵素體是固溶體，屬于間隙固溶體（有限固溶體，無(wú)序固溶體），滲碳體是化合物鋼在室溫下是多相體。8、銅鎳二元合金相圖部分，含鎳20%的合金在溫度為T(mén)1時(shí)處于平衡狀態(tài)，問(wèn)：（1）處于幾相平衡狀態(tài)？（2）有哪幾個(gè)平衡相？（3）此時(shí)的自由度數(shù)？（4）分別寫(xiě)出每個(gè)平衡相的成分（5）計(jì)算每個(gè)平衡相的相對(duì)量（1）兩相平衡狀態(tài)（2）液相、固相（3）自由度數(shù)：f=n+1-p=2+1-2=1（4）含鎳20%的合金在T1平衡狀態(tài)下：

Ni20%,Cu80%（勻晶相圖）（5）T1溫度下，成分20%的合金處于L+α兩相狀態(tài)，故對(duì)合金：Qt=QL+Qα

對(duì)鎳：Qt*20%=QL*15%+Qα*35%.

解得QL:Qα=3:1功能材料定義：以特殊的電、磁、聲、光、熱、力、化學(xué)及生物學(xué)等性能作為主要性能指標(biāo)的一類(lèi)材料。即在聲、光、電、磁、熱及化學(xué)性能上有特殊效應(yīng)的，用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。功能材料的的品種繁多，目前已達(dá)十多萬(wàn)種，而且還以每年百分之五的增長(zhǎng)率不斷增加。目前主要是根據(jù)材料的化學(xué)組成、應(yīng)用領(lǐng)域、使用性