河北工程大学材料成型理论基础练习题第3章

第3章金属凝固热力学与动力学一、填空题1、金属结晶形核时，系统自由能变化△G由两部分组成，其中相变驱动力为体积自由能的下降，相变阻力为表面自由能的上升。2、物质体积自由能G随温度上升而下降，液相体积自由能GL随温度上升而下降的斜率大于固相体积GS的斜率。3、非均质形核过程，晶体与杂质基底的润湿角θ越小，非均质形核功*heG越小，形核率越高；非均质形核临界半径*her与均质形核的关系为*hor相等。4、设固相表面曲率k0，由于曲率的影响物质的实际熔点比平衡熔点Tm（r=∞时）要低。5、对于K0＜1，固相线、液相线张开程度越大，K0越小，固相成分开始结晶时与终了结晶时差别越大，最终凝固组织的成分偏析越严重。因此，常将∣1-K0∣称为“偏析系数”。6、球状固体质点从金属液中开始形成时，只有其半径r大于临界晶核半径r*时，其统自由能ΔG随r增大而下降，固体质点才能稳定存在，称为晶核；而在r＜r*时，ΔG随r增大而上升，这时不稳定的固体质点还不能称为晶核，而只能称为晶胚。对应于r=r*的系统自由能最大值ΔG*称为形核功。7、形核功ΔG*的大小为临界晶核表面能的三分之一,它是均质形核所必须克服的能量障碍。形核功由熔体的“能量起伏”提供。因此，过冷熔体中形成的晶核是“结构起伏”及“能量起伏”的共同产物。8、非均质形核与均质形核临界半径r*相同。通常情况下，非均质形核功ΔG∗he远小于均质形核功ΔG∗ho，非均质形核过冷度ΔT*比均质形核的要小得多。9、通常，Jackson因子α≤2的物质，晶体表面有一半空缺位置时自由能最低，此时的固-液界面（晶体表面）形态被称为粗糙界面，大部分金属属于此类；α＞5的物质凝固时界面为光滑界面；而α=2～5的物质，常为多种方式的混合，Bi、Si、Sb等属于此类。10、对于不同的物质，熔融熵越小，越容易成为粗糙界面。因此，液-固微观界面结构究竟是粗糙面还是光滑面主要取决于物质的热力学性质。二、选择题1、如图所示均质形核情形下三种半径与温度的关系，下面哪种说法是错误的？DA.临界晶核半径r*与过冷度ΔT成反比，即ΔT越大（温度越低），则r*越小。B.液体中原子团簇的统计平均尺寸r°随温度降低（ΔT增大）而增大。C.过冷度达到ΔT*之后，原子团簇平均半径r°已达临界尺寸，开始大量形核。ΔT*理解为大量形核过冷度。D.只有过冷度ΔT达到或超过ΔT*，才可能有稳定晶核存在。2、非均质形核与均质形核相比，下面哪一种说法的是正确的？BA.两者临界半径r*相同，形核功ΔG∗也相同，但前者临界过冷度ΔT*比后者小很多。B.两者临界半径r*相同，但ΔG∗he远小于ΔG∗ho，前者ΔT*比后者小很多。C.前者临界半径r*、形核功ΔG∗及过冷度ΔT*均比后者小很多。D.两者临界半径r*、形核功ΔG∗及过冷度ΔT*均相同。3、下面哪种说法是错误的？CA.通常，错配度δ越小，共格情况越好，越容易进行非均质形核。B.过冷度越大，能促使异质形核的外来质点种类和数量越多，异质形核能力越强。C.在实践中，以错配度小作为选择形核剂的标准，会百分百地取得满意效果。D.形核剂的选用往往还要通过实验研究来确定。三、简答题1、什么是溶质平衡分配系数？设状态图中液相线和固相线为直线，证明其k0为常数。答：是特定温度T下固相合金成分浓度Cs与液相合金成分CL达到平衡时的比值。证明：因为液相线及固相线为直线，虽然CS、CL随温度变化有不同值，但SLLSLSTTTTCCKmmmmmm/)(/)(0常数，此时0K与温度及浓度无关，故不同温度和浓度下0K为定值。2、理想液体在凝固时形成的临界核心是边长为a*的立方体形状(1)求均质形核时的a*和△G*的关系式。THTVSLSmma423)(32THTVGmmSLS方(2)证明在相同过冷度下均质形核时，球形晶核较立方形晶核更易形成。对于球形晶核：THTVSLSmmr223)(316THTVGmmSLSπ球16π方球GG3、为什么均质生核和非均质生核的临界晶核半径相同，而临界生核功不同？答：临界晶核半径的含义：当晶核达到此半径时，如液相原子向此堆砌生长，造成的表面能的增加比体积自由能的下降小，即自由能下降，此时，晶体生长是稳定的，所以晶核能逐渐长大。如是均质生核，临界晶核是近似球形，其所包含的原子数较多，所需要的能量起伏较大，即生核功较大；如是非均质生核，临界晶核的大小与润湿角有关，同样的晶核半径时，当晶体与衬底的润湿角越小，晶核所包含的原子个数越少，因此所需的形核功越小。所以，虽然均质生核和非均质生核的临界晶核半径相同，而临界生核功不同。4、从原子尺度看，固液界面结构有哪几种？它们与生长机理有何联系？答：⑴有两种固液界面结构：平整界面和粗糙界面⑵平整界面的生长机理：a.理想的平整界面依靠平整界面上生产二维晶核，然后在晶核周围的台阶上生长；b.当界面上有缺陷时，可依靠螺旋位错、旋转孪晶、反射孪晶等缺陷提供的台阶生长。⑶粗糙界面由于液相原子堆砌而被弹回的几率很小，因此生长速度较大，此时称为连续生长或正常生长。