材料物理习题课2材料物理资料.pptVIP

纯金属的凝固凝固：物质从液态冷却转变为固态的过程结晶：物质从液态冷却转变为晶体的过程。（物质凝固后形成的固体为晶体时，则称为结晶。）过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。△T=Tm-Tn结构起伏（相起伏）：液态材料中出现的短程有序原子集团的时隐时现现象。能量起伏：系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而高低不一的现象。均匀形核：在过冷液态金属中，依靠结构起伏形成大于临界晶核的晶胚，同时必须从能量起伏中获得形核功，才能形成稳定的晶核。非均匀形核：利用过冷液相中的活性质点或固体界面作基底,同时依靠液相中的相起伏和能量起伏来实现的形核。光滑界面：液-固界面上的原子排列较规则，界面处两相截然分开。微观上界面光滑，宏观上有若干小平面。粗糙界面：液-固界面上的原子排列较混乱，原子分布高低不平整，在几个原子厚度的界面上，液、固两相原子各占位置的一半。宏观上界面平直。临界形核功：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。临界晶核半径：自由能在晶核径向上变化为0时，此时的晶核半径为临界晶核半径动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。（远小于形核所需过冷度）柱状晶：结晶时，固液界面只能在空间中的一个方向自由迁移，其他两个方向受限制，这样形成的晶粒称柱状晶等轴晶：结晶时，固液界面能够在空间各个方向自由迁移，这样形成的晶粒称为等轴晶树枝状晶：结晶时，固液界面将以树枝方式在空间中迁移，这样形成的晶粒称树枝晶单晶：由一个晶粒组成的晶体非晶态：在原子尺度上结构无序的材料微晶：晶粒尺寸在微米和纳米的超细晶粒准晶：在晶体内部原子具有准周期性，介于晶体和非晶体之间的一类晶体。准晶具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性2?、当球状晶核在液相中形成时，系统自由能的变化为???求：(1)求临界晶核半径(2)证明(为临界晶核体积)；(3)说明上式的物理意义。变化很小，视为常数时单位体积自由能：故有：解：由题：故有：解得：临界形核功临界晶核体积为所以将代入临界晶核表面积故有：故有：或将代入?3?、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。相同点：1、形核的驱动力和阻力相同；2、临界晶核半径相等；3、形成临界晶核需要形核功；4、结构起伏和能量起伏是形核的基础；5、形核需要一个临界过冷度；6、形核率在达到极大值之前，随过冷度增大而增加。与均匀形核相比，非均匀形核的特点：1、非均匀形核与固体杂质接触，减少了表面自由能的增加；2、非均匀形核的晶核体积小，形核功小，形核所需结构起伏和能量起伏就小；形核容易，临界过冷度小；3、非均匀形核时晶核形状和体积由临界晶核半径和接触角共同决定；临界晶核半径相同时，接触角越小，晶核体积越小，形核越容易；4、非均匀形核的形核率随过冷度增大而增加，当超过极大值后下降一段然后终止；此外，非均匀形核的形核率还与固体杂质的结构和表面形貌有关。4?、何谓动态过冷度?说明动态过冷度与晶体生长的关系。在单晶制备时控制动态过冷度的意义？答:晶核长大所需要的界面过冷度称为动态过冷度，用表示;具有光滑界面的物质，其约为1-2℃,具有粗糙界面的物质，其仅为0.01-0.05℃;制备单晶体的基本原理就是保证这个晶核生长成一整块单晶体，控制动态过冷度就是可以保证只形成一个晶核，长成一整块单晶体。5?、分析在负温度梯度下，液态金属结晶出树枝晶的过程。答:当dT/dx时界面的热量可以从固液两相散失，界面移动不只受固相传热速率的控制，如果界面某处偶然伸入液相，则进入了△T更大的区域，可以更大的速率成长，伸入液相中形成一个晶轴，由于晶轴结晶时向两侧液相中放出潜热，使液相中垂直于晶轴的方向又产生负温度梯度，这样晶轴上又会产生二次晶轴，同理二次晶轴上又会生长出三次晶轴，这种生长方式为树枝状生长，结晶出树枝晶?6?、在同样的负温度梯下，为什么Pb结晶出树枝状晶而Si的结晶界面却是平整的?在同样的负温度梯下，Pb是具有粗糙界面的金属元素。故以连续的垂直于液固界面方向长成树枝晶体。而Si为具有光滑界面的非金属元素Si以不连续的侧向生长成界面平整的晶体。7、实际生产中怎样控制铸件的晶粒大小？试举例说明?答：生产实际中常采用的控制晶粒尺寸的措施有：（1）提高过冷度，如采用