第6章相变打印版

第6章相变6.1.11问题从结构起伏、能量起伏推测什么是成分起伏？并总结起伏的一般定义。答：1）成分起伏即浓度起伏。2）起伏的一般定义：在某一时刻，局部能量（结构、成分）高于（或低于）平均值。6.1.12问题说明图6-2左图中最大的黑点(右上)，不可能移动到中图的中央。答：假设右上的黑点到中央的距离为1m，可计算出其移动的平均速度为100000m/s。6.1.13问题对式6-1求导时，把vG视为常数，这是为什么？答：在对式6-1求导时，温度是确定的（T为参数），vG即为常数。6.1.14问题临界晶核密度n与表面能、过冷度、熔化热各有什么关系？为什么？答：1）表面能越大，n越小。表面能是形核的阻力项。2）过冷度越大，n越大。过冷度是形核的动力项。3）熔化热越大，n越大。熔化热越大，原子间结合力越大，G越大，动力项越大，越有利于形核。6.1.15问题讲义中能量起伏概念是如何引进的？请用一句话解释。答：“形核原子”的能量高于“平均原子”。6.1.16问题能否称式6-11中的Q为液相扩散激活能？如果可以请解释原因；如果不能请比较这里的Q与真实的液相扩散激活能的大小，并解释原因。答：不能。Q真实液相扩散激活能的大小。此处Q=真实的液相扩散激活能+原子穿越液固界面的能量。6.1.17问题式6-11的在形式上与学过的哪个公式比较像？它们之间的共同特征是什么？差异是什么？答：置换扩散中，TkuAZTkGBVBexpexp。其中，TkGBexp为能够产生跳动的原子，TkuAZBVexp为原子周围的空位数。问题用一句话说明为什么会有过冷现象。注意，只能是一句话(而不是公式)，目的是考察能否抓住事物的本质。答：当达到熔点时，因表面能使得G仍然大于零，需继续降温。问题由图6-4看出，形核率与过冷度的关系曲线中有极值现象，其解释为有两个相反的因素共同决定形核过程。一是驱动力vG，过冷度越大，vG的绝对值越大，即动力越大；二是扩散阻力，它随过冷度的增大(即温度的降低)而增大。因此，在适当的过冷度下形核率有极大值。现在的问题是，对于长大过程，长大速度与过冷度的关系曲线是否也有极大值现象答：长大速度与过冷度的关系曲线没有极大值现象。因为长大过冷度一般比较小。6.1.18问题在某一过冷度下凝固时，凝固结束后固体中晶粒的最小半径(平均值)是1r吗？提示：晶界能比液-固界面能高很多。答：大于r1。6.1.20问题试证明纯金属熔化时无需过热。提示：(1)lgslsg；(2)熔化总是开始于表面。答：由32v443GrGr，但此处sgsllg0，由此不需过热。6.1.21问题均匀形核过程中，一团液体变为固体的(形核)瞬间，伴随哪些变化？请简要说明。答：自身体积自由能的变化+相界面的产生6.1.22问题将凝固过程分为形核与长大是有深意的，这不是随便的划分。请从两个过程的微观机制说明它们的本质差异。答：形核伴随有新生界面的产生，而长大不需要。6.1.24问题前面介绍过冷度时说到：“过冷度受冷却速度和金属纯度的影响”，为什么？答：冷却速度越大，过冷度越大。可以这样想，冷却速度无限缓慢，就无过冷现象。金属纯度越低，非均匀形核比例增多，过冷度降低。6.1.24问题用一句话说明为什么非均匀形核的过冷度总是小于均匀形核。答：非均匀形核有多余的界面能，所需的动力小，过冷度小。6.1.25问题非均匀形核过程中，一团液体变为固体的(形核)瞬间，伴随哪些变化？答：变化：体积自由能的变化，界面的变化（旧界面的消失和新界面的形成）。6.1.26问题1.理论上讲，L与L属于一类，它们的数值一般都比较小(与晶界能及相界面能相比)，请问为什么？2.的类型与L、L不同，通常大于L(或L)。请问属于什么类型？它为什么大于L(或L)？答：该题主要考查表面能与界面能的概念。表面指凝固态相对于气相的分界面，界面指固固和固液之间的分界面。由于凝固态分子与气态分子的差别很大，表面能比界面能大很多。6.1.28问题图6-6a、b是两种极端状况，反映了两个方面的影响因素。请问图6－6c是如何综合这两个因素的，即在一般情况下为什么会形成球冠状？答：一方面和β相接触的面积应尽量大以减少原来的界面能，另一方面和液相接触的面积应尽量小以减少固液界面能，两方面综合，会达到一种平衡，使新形成的α相成球冠状。6.1.30问题1.当LL时，理论上有无过热形核的可能性？为什么？提示：前面介绍的形核都是在过冷条件下产生的。2.如果有，它对凝固有无实际意义？为什么？答：1.理论上有过热形核的可能性，由，过冷是为了获得动力项（），而在条件σβLσαL+σαβ下，形核过程中界面能的变化0，此时无需过冷提供动力，甚至过热（），也能达到的条件，自发形核。2.过热形核对凝固没有实际意义。当凝固成很大一块时，是很大的正值，已经不足以使它平衡掉，不能达到的条件。从极限情况考虑，假设过热情况下，凝固完全，此时变为固气表面能，0，此时表达式的两部分都为正值，，不能自发。6.1.31问题长大过冷度通常小于形核过冷度，为什么？答：形核时有固液界面生成，界面能使自由能上升为阻力项，而长大时在已有的固液界面上进行的，没有界面能阻力项，因此长大所需的体积自由能比形核小，也即长大过冷度通常小于形核过冷度。6.1.32问题讲义中说：“两相之间平衡以后，相界面本身也会处于平衡状态”，物理化学中似乎没有见过相界面本身平衡的概念，只见过两个相之间整体平衡。你是如何理解相界面本身平衡的？答：相界面平衡意味着：(1)此区域内的自由能尽可能降低；(2)状态不变。对固-气表面，表面平衡指与气相平衡的固相表面原子处于自由能最低的状态。6.1.33问题讲义中说：“对固-气表面，表面平衡指与气相平衡的固相表面原子处于自由能最低的状态”，这种说法是否适用于固-液界面？即能否说：固-液界面平衡指与液相平衡的固相界面上的原子处于自由能最低状态？答：不能。界面能是超额的能量，要将有界面的体系与纯固体和纯液体能量相比，而固体和液体相比时差异并不大。而对固-气表面，由于气体密度小且与固相表面原子的结合键较弱，因此可以将气体原子忽略，或者说气相和固相比能量很小，故可以忽略。6.1.35问题金属从气相沉积成晶体时，表面往往是光滑的；而金属凝固时液-固界面往往是粗糙的，为什么？答：熔化热比升华热要小，金属凝固时原子更易吸热而形成空位，所以液-固界面粗糙；6.1.36问题讲义中说：“凝固是非平衡过程”，但是在第4章中确实有平衡凝固的提法，请问两个说法之间矛盾吗？它们应该如何理解？答：不矛盾，凝固过程需要过冷，故实际凝固过程均为非平衡过程。但是当过冷度很小，冷却速度无限缓慢时可近似视为平衡。6.1.37问题根据物理化学知识，金属的摩尔熔化熵为mmm/8~17J/molKSLT。1.请据此说明，金属的Jackson因子2；2.对于金属Cu，它在熔点1084.5℃的Jackson因子2，即固-液界面粗糙。问室温下晶态的金属Cu的表面是光滑还是粗糙的？为什么？答：光滑的。（1）室温下，温度低熵的作用小，空位不易形成。（2）室温下晶态的金属Cu的表面是固气界面，根据Jackson因子vfmBmZZTkL考虑，升华热比熔化热要大的多，从而可使Jackson因子56.1.38问题二维形核长大机制中，长大速度如式6-19。这个公式中，速度为什么不与过冷度成正比？或者像式6-20那样，与过冷度的平方成正比？因为过冷度毕竟意味着长大的驱动力，而速度与驱动力直接关联似乎天经地义。提示：从长大机理方面找原因。答：二维形核更难。6.1.40问题讲义中以磷为例，说明了固-液界面形态与长大过冷度是相关的。为什么会这样？从Jackson因子表达式看，似乎找不出过冷度的影响。答：凝固时非平衡过程，当过冷度很大，也即偏离平衡态很大时用Jackson因子考虑界面形态误差较大，因为Jackson因子使用于平衡状态。结论：过冷度较小时，固-液界面仍可视为处于平衡状态，此时固-液界面形态取决于Jackson因子，用热力学能量最低原则考虑；当过冷度较大时，过冷度的因素不可忽略，此时考虑动力学，体系变化选择速度最快的方式，所以形成粗糙界面。问题传热方向为什么影响长大速度？答：长大速度取决于散热速度，而散热速度又与传热方向有关。问题宏观界面的失稳分析思路是什么？请结合第4章第1节中稳定的定义做简要说明。答：随机凸起，环境分析。界面上有随机凸起，若此时界面前沿液相中的温度不均匀，处于温度较低液相中的随机凸起会长大，造成界面失稳。6.1.82问题片层状共晶组织从热力学的角度讲是不利的，因为大量片层间界面导致界面能很高。故真正热力学稳定的组织状态是，一大块与一大块共存，中间只有一个相界面(假定共晶反应为L)。现在的问题是，1.既然片层状共晶并非热力学稳定状态，它为什么还能存在？2.具体说明形成片层状的好处。答：片层状有利于扩散，在动力学上是占优势的。6.1.83问题为什么同一共晶团中同一相的位向相同？这一现象是否意味着同一相是单晶体？答：1.它们是由同一片核长大而成，位向相同可减小应变能。2.是。6.1.85问题为什么共晶形核有“搭桥”机制？讲义中的解释是：不需要反复形核。答：避开形核，两个角度考虑：1）热力学：形核需要较大的过冷度，较大的能量。2）动力学：不反复形核能加快生长。6.1.86问题讲义中说：“不同相之间特定的位向关系能降低相界面能”，尽管“位向关系”概念尚未学到，但这个句子涉及的基本原理前面学过，请问是什么？答：相界面能在很大程度上取决于界面处应变能的大小，特定的位向关系能减小点阵畸变，降低应变能。6.1.88问题讲义中说：“根据扩散第一定律，加快横向扩散只能通过提高横向浓度梯度，即降低片层间距(因为浓度差是恒定的)”。1.“浓度差是恒定的”的具体含义是什么？2.为什么加快横向扩散只能通过降低片层间距？答：1.非平衡凝固中固液界面上两相浓度保持平衡，可由相图确定，一定温度时为恒定值。2．由扩散第一定律CDdxdCDJ得，要加快横向扩散，即要使J增加，又C一定，因此，只能减小。（温度、扩散原子类型、晶体结构、成分等无变化时，扩散系数D不变）6.1.89提示：xLGLxV26.1.90代入上题公式。6.1.91问题当共晶为棒状而不是片层状时，两个组元的扩散方向如何描述？提示：描述的是液相中组元的扩散方向，如片层状共晶的扩散方向总体是垂直于固液界面的横向，具体为垂直于两个固相界面的方向。答：垂直于两固相界面，呈发散状。6.1.94问题用一句话说明形成胞状共晶的关键。(只能是一句话)答：界面前沿是否存在浓度差异，会造成成分过冷。6.1.95问题有资料指出：当杂质含量比较高且L/GV比较低时，胞状共晶的固液界面会发展成为树枝状。请问为什么？答：1）由第三组元的影响可知，杂质含量较高时，成分过冷程度加深，胞状共晶很发达。2）由成分过冷的条件0L00L1kDkmCVG知，L/GV比较低，更容易在液相中形成过冷。6.1.96问题金属-非金属型共晶中，第三组元的变质作用主要是针对哪一个相？为什么？答：非金属相。因为非金属相的形态决定了整个共晶的形态，只要对非金属相进行变质处理，则可达到变质效应。问题根据Jackson因子的特性，示意地画出亚共晶白口铁和过共晶白口铁的组织。提示：Fe3C的Jackson因子视为大于5。答：问题图6-33的影线区的画法有点问题，请指出。6.1.104问题讲义中说：“大铸件中冷却速度如果过大，则会导致较大的热应力，使铸件开裂”，大铸件与大冷速会导致材料内外较大的温差，请问为什么温差大就会产生大的热应力？由于应力来源于应变，因此请通过应变分析这个问题。答：铸件冷却时，是从表面开始冷却的，所以冷却速度过大，会导致外冷