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 越小，非均质形核功越 小 ，形核率越 高 ；非均质形核临界半径与均质形核的关系为 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K01，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G 随r 增大而 下降 ，固体质点才能稳定存在，称为 晶核 ；而在rr*时，G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G*称为 形核功 。7、形核功G*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Ghe 远小于 均质形核功Gho ，非均质形核过冷度T*比均质形核的要 小得多 。9、通常，Jackson 因子 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； 5 的物质凝固时界面为光滑界面；而 =25 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T成反比，即T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（T 增大）而增大。C.过冷度达到T *之后，原子团簇平均半径r已达临界尺寸，开始大量形核。T *理解为大量形核过冷度。D.只有过冷度T 达到或超过T *，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G也相同，但前者临界过冷度T*比后者小很多。B. 两者临界半径 r*相同，但Ghe远小于Gho ，前者 T*比后者小很多。C. 前者临界半径r*、形核功G 及过冷度T*均比后者小很多。D. 两者临界半径r*、形核功G 及过冷度T*均相同。3、下面哪种说法是错误的？ CA. 通常，错配度 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与液相合金成分C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、C随温度变化有不同值，但常数，此时与温度及浓度无关，故不同温度和浓度下为定值。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。 (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： 3、 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：有两种固液界面结构：平整界面和粗糙界面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