发布时间 : 星期日 文章西北工业课后答案西北工业大学 材料科学与工程 - 图文更新完毕开始阅读
22．
陶瓷材料中主要的结合键是离子键及共价键。由于离子键及共价键很强，故陶瓷的抗压强度很高，硬度极高。因
为原子以离子键和共价键结合时，外层电子处于稳定的结构状态，不能自由运动，故陶瓷材料的熔点很高，抗氧化性好，耐高温，化学稳定性高。
1.试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。
2.如果纯镍凝固时的最大过冷度与其熔点（tm＝1453℃）的比值为0.18，试求其凝固驱动力。（ΔH＝-18075J/mol）
3.已知Cu的熔点tm＝1083℃，熔化潜热Lm＝1.88×103J/cm3，比表面能ζ＝1.44×105 J/cm3。
（1）试计算Cu在853℃均匀形核时的临界晶核半径。
（2）已知Cu的相对原子质量为63.5，密度为8.9g/cm3,求临界晶核中的原子数。
4.试推导杰克逊（K.A.Jackson）方程
?Gs?ax(1?x)?xlnx?(1?x)ln(1?x)NkTm5.铸件组织有何特点？
6.液体金属凝固时都需要过冷，那么固态金属熔化时是否会出现过热，为什么？
7.已知完全结晶的聚乙烯（PE）其密度为1.01g/cm3,低密度乙烯（LDPE）为0.92 g/cm3，而高密度乙烯（HDPE）为0.96
g/cm3，试计算在LDPE及HDPE中“资自由空间”的大小。
8.欲获得金属玻璃，为什么一般选用液相线很陡，从而有较低共晶温度的二元系？
9.比较说明过冷度、临界过冷度、动态过冷度等概念的区别。10.分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。
11.什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？
12.简述纯金属晶体长大的机制。13.试分析单晶体形成的基本条件。
14.指出下列概念的错误之处，并改正。
(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；而动态过冷度是指结晶过程中，实际
液相的温度与熔点之差。
(2)金属结晶时，原子从液相无序排列到固相有序排列，使体系熵值减少，因此是一个自发过程。
(3)在任何温度下，液体金属中出现的最大结构起伏都是晶胚。
(4)在任何温度下，液相中出现的最大结构起伏都是核。
(5)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的大小。
(6)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，
还是可以成核的。
(7)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ΔT=0.2Tm计算值基本一致。
(8)某些铸件结晶时，由于冷却较快，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。
(9)若在过冷液体中，外加10 000颗形核剂，则结晶后就可以形成10 000颗晶粒。
(10)从非均匀形核功的计算公式A非＝A均
（2?3cos??cos3?）4中可以看出，当润湿角
θ＝00时，非均匀形核的形核功
最大。
(11)为了生产一批厚薄悬殊的砂型铸件，且要求均匀的晶粒度，则只要在工艺上采取加形核剂就可以满足。
(12)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，不象后者那样形成界面，而引起自由
能的增加。
(13)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。
(14)纯金属生长时，无论液－固界面呈粗糙型或者是光滑型，其液相原子都是一个一个地沿着固相面的垂直方向
连接上去。
(15)无论温度如何分布，常用纯金属生长都是呈树枝状界面。
(16)氮化铵和水溶液与纯金属结晶终了时的组织形态一样，前者呈树枝晶，后者也呈树枝晶。
(17)人们是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理。
(18)液体纯金属中加入形核剂，其生长形态总是呈树枝状。
(19)纯金属结晶时若呈垂直方式长大，其界面时而光滑，时而粗糙，交替生长。
(20)从宏观上观察，若液－固界面是平直的称为光滑界面结构，若是金属锯齿形的称为粗糙界面结构。
(21)纯金属结晶时以树枝状形态生长，或以平面状形态生长，与该金属的熔化熵无关。
(22)金属结晶时，晶体长大所需要的动态过冷度有时还比形核所需要的临界过冷度大。
1．分析结晶相变时系统自由能的变化可知，结晶的热力学条件为?G<0；由单位体积自由能的变化
?GB??Lm?TTm可知，
只有?T>0，才有?GB<0。即只有过冷，才能使?G<0。
动力学条件为液—固界面前沿液体的温度T 由临界晶核形成功A＝1/3ζS可知，当形成一个临界晶核时，还有1／3的表面能必须由液体中的能量起伏来提供。 液体中存在的结构起伏，是结晶时产生晶核的基础。因此，结构起伏是结晶过程必须具备的结构条件。 2．凝固驱动力?G＝一3253.5 J／mol。 3．(1)rk＝9.03X10-10 m； (2)n=261个。 4．所谓界面的平衡结构，是指在界面能最小的条件下，界面处于最稳定状态。其问题实质是分析当界面粗糙化时，界 面自由能的相对变化。为此，作如下假定： (1)液、固相的平衡处于恒温条件下；(2)液、固相在界面附近结构相同；(3)只考虑组态熵，忽略振动嫡。 设N为液、固界面上总原子位置数，固相原子位置数为n，其占据分数为x＝n/N；界面上空位分数为1一x，空位数为N(1一x)。形成空位引起内能和结构熵的变化，相应引起表面吉布斯自由能的变化为 ?Gs??H?T?S?(?u?P?S)?T?S??u?T?S固态键数和一对原子的键能的乘积决定。内能的变化为 形成N(1一x)个空位所增加的内能由其所断开的 ?u?N?Lmx(1?x) 式中ξ与晶体结构有关，称为晶体学因子。 其次，求熵变。由熵变的定义式，则有 ?S?klnN!N!?kln(Nx)![N?(Nx)]!(Nx)![N(1?x)]!按striling近似式展开，当N很大时，得 ?S＝一kN[xlnx+(1一x)In(1一x)] 最后，计算液—固界面上自由能总的变化，即 ?Gs??u?Tm?S?N?Lmx(1?x)?kTmN[xlnx?(1?x)ln(1?x)] ?Gs?Lm?x(1?x)?xlnx?(1?x)ln(1?x)所以：NkTmkTm ??令： ?Lm?Gs??x(1?x)?xlnx?(1?x)ln(1?x)kTm所以：NkTm 5．在铸锭组织中，一般有三层晶区：（1）最外层细晶区。其形成是由于模壁的温度较低，液体的过冷度交大，因此形 核率较高。（2）中间为柱状晶区。其形成是由于模壁的温度升高，晶核的成长速率大于晶核的形核率，且沿垂直于模壁风向的散热较为有利。在细晶区中取向有利的晶粒优先生长为柱状晶粒。（3）中心为等轴晶区。其形成是由于模壁温度进一步升高，液体过冷度进一步降低，剩余液体的散热方向性已不明显，处于均匀冷却状态；同时，未熔杂质、破断枝晶等易集中于剩余液体中，这些都促使了等轴晶的形成。 应该指出，铸锭的组织并不是都具有3层晶区。由于凝固条件的不同，也会形成在铸锭中只有某一种晶区，或只有某两种晶区。 6．固态金属熔化时不一定出现过热。如熔化时，液相若与汽相接触，当有少量液体金属在固相表面形成时，就会很快 复盖在整个表面(因为液体金属总是润湿同一种固体金属)，由附图2.6表面张力平衡可知 rLVcos??rSL?rSV，而实验指出rLV?rSL?rSV，说 明在熔化时，自由能的变化aG(表面) 7．LDPE的自由空间为； 1cm31cm3??0.052cm3/g0.96g1.01gHDPE的自由空间为 1cm31cm3??0.097cm3/g0.92g1.01g8．金属玻璃是通过超快速冷却的方法，抑制液—固结晶过程，获得性能异常的非晶态结构。 玻璃是过冷的液体。这种液体的黏度大，原子迁移性小，因而难于结晶，如高分子材料(硅酸盐、塑料等)在一般的冷却条件下，便可获得玻璃态。金属则不然。由于液态金属的黏度低，冷到液相线以下便迅速结晶，因而需要很大的冷却速度(估计>1010℃／s)才能获得玻璃态。为了在较低的冷速下获得金属玻璃，就应增加液态的稳定性，使其能在较宽的温度范围存在。实验证明，当液相线很陡从而有较低共晶温度时，就能增加液态的稳定性，故选用这样的二元系(如Fe—B，Fe—C，h—P，Fe—Si等)。为了改善性能，可以加入一些其他元 素(如Ni，Mo，Cr，Co等)。这类金属玻璃可以在10’一10‘℃／s的冷速下获得。 9．实际结晶温度与理论结晶温度之间的温度差，称为过冷度(?T＝Tm一Tn)。它是相变热力学条件所要求的，只有AT>0 时，才能造成固相的自由能低于液相自由能的条件，液、固相间的自由能差便是结晶的驱动力。