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材料科学基础习题二
指出下列概念的错误之处,并更正。1)所谓过冷度是指结晶时,在冷却曲线上出现平台的温度与熔点之差。2)金属结晶时,原子从液相无序排列到固相有序排列,使体系熵值减小,因此是
一个自发过程。
在任何温度下,液态金属中出现的最大结构起伏都是晶胚。
在任何温度下,液相中出现的最大结构起伏都是晶核。
所谓临界晶核,就是体系自由能的减少完全补偿表面自由能的增加时的晶胚大小。
在液态金属中,凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能成核,但是只要有足够的能量起伏提供形核功,还是可以形核的。
测定某纯金属铸件结晶时的最大过冷度,其实测值与用公式0.2Tm计算值,基本一致。
某些铸件结晶时,由于冷速较快,均匀形核率N1提高,非均匀形核率N2也提高,故总的形核率为N=N1+N2。
若在过冷液体中,外加10000颗形核剂,则结晶后就可以形成10000颗晶粒。
从非均匀形核功的计算公式中可以看出,当润湿角为0度时,非均匀形核的形核功最大。
为了生产一批厚薄悬殊的砂型铸件,且要求均匀的晶粒度,则只要在工艺上采用加入形核剂的办法就可以满足了。
非均匀形核总是比均匀形核容易,因为前者是以外加质点为结晶核心,不像后者那样形成界面,而引起自由能的增加。
在研究某金属细化晶粒工艺时,主要寻找那些熔点低、且与该金属晶格常数相近的形核剂,其形核的催化效能最高。
纯金属生长时,无论液固界面呈粗糙型还是光滑型,其液相原子都一个一个地沿着固相面得垂直方向连接上去。
无论温度分布如何,常用纯金属生长都是呈树枝状界面。
氯化铵饱和水溶液与纯金属结晶终了时的组织形态一样,前者呈树枝状,后者也成树枝晶。
人们无法观察到极纯金属的树枝状生长过程,所以关于树枝状的生长形态仅仅是一种推想。
液态纯金属中加入形核剂,其生长形态总是呈树枝状。
纯金属结晶时,若呈垂直方式生长,其界面时而光滑,时而粗糙,交替生长。
从宏观上观察,若液固界面是平直的,称为光滑界面结构;若是呈金属锯齿形的,称为粗糙界面结构。
实际金属结晶时,形核率随着过冷度的增加而增加,超过某一极大值后,出现相反的变化。
金属结晶时,晶体长大所需要的动态过冷度有时比形核所需要的临界过冷度大。
若在液体中形成一个半径为r的球形晶核时,证明临界形核功△G与临界晶核体积V
之间的关系为△G=-V△GV/2。
在同样的负温度梯度下,为什么Pb结晶出树枝状晶,而Si的结晶界面却是平整的?
考虑在1个大气压下液态铝的凝固,对于不同程度的过冷度,即△T=1,10,100和
200度,计算:
临界晶核尺寸;
半径为rk的晶核个数;
从液态转变到固态时,单位体积的自由能变化△Gv;
从液态转变到固态时,临界尺寸rk处的自由能的变化△Gvk(形核功)。
铝的熔点Tm=993K,单位体积熔化热Lm=1.8ⅹ109J/m3,液固界面比表面能δ=93
ⅹ10-3J/m2,原子体积V0=1.66ⅹ10-29m3
试证明:在同样过冷度下均匀形核时,球形晶核较立方晶核更容易形成。
固态金属熔化时不需要过热,试对此加以解释。
为什么纯金属小液滴结晶时过冷度较大?为什么铸件厚处比薄处晶粒较粗大?
试比较均匀形核与非均匀形核的异同点,说明为什么非均匀形核往往比均匀形核更容易进行。
材料科学基础习题二答案
1.
所谓过冷度是指结晶时,在冷却曲线上出现实际结晶温度与熔点之差。
金属结晶时,原子从液相无序排列到固相有序排列,使自由能减小,因此是一
个自发过程。
在过冷温度下,液态金属中出现的最大结构起伏都是晶胚。
在一定过冷度(△T△T*)下,液相中出现的最大结构起伏都是晶核。
所谓临界晶核,就是体系自由能的减少能够补偿2/3表面自由能的增加时的晶胚大小。
在液态金属中,凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能成核,即使有足够的能量起伏提供,还是不能形核。
测定某纯金属均匀形核时的有效过冷度,其实测值与用公式0.2Tm计算值,基本一致。
某些铸件结晶时,由于冷速较快,均匀形核率N1提高,非均匀形核率N2也提高,故总的形核率为N=N2。
若在过冷液体中,外加10000颗形核剂,则结晶后就可以形成数万颗晶粒。
从非均匀形核功的计算公式中可以看出,当润湿角为0度时,非均匀形核的形核功最小。
为了生产一批厚薄悬殊的砂型铸件,且要求均匀的晶粒度,则只要在工艺上采用对厚处加快冷却就可以满足。
非均匀形核总是比均匀形核容易,因为前者是以外加质点为基底,形核功小。
在研究某金属细化晶粒工艺时,主要寻找那些熔点高、且与该金属晶格常数相近的形核剂,其形核的催化效能最高。
纯金属生长时,若液固界面呈粗糙型
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