材料物理习题课改良版

1、 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

2、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

3、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 22 、当球状晶核在液相中形成时，系统自由能的变化为、当球状晶核在液相中形成时，系统自由能的变化为 求：求： (1)(1)求临界晶核半径求临界晶核半

4、径 (2)(2)证明证明 ( ( 为临界晶核体积为临界晶核体积) )； (3)(3)说明上式的物理意义。说明上式的物理意义。 c r 32 4 4 3 V GrGr 1 32 c ccV V GAG c V 32 4 4 3 V GrGr 2 480 V G rGr r 2 c V r G m V m L GT T 22 m c Vm T r GLT 单位体积自由能： 故有： 解：由题： 故有： 解得： 32 33 22 3 2 422 4 3 32 16 3 16 3 CV VV VV V GG GG GG G 1 3 Cc GA 1 3 CVcc GV GAA 2 3 cV AV G 3

5、4 3 Cc Vr 临界形核功 临界晶核体积为 1 32 C CcV V GAG 所以 2 2 2 16 4 Cc V Ar G 2 c V r G 32 4 4 3 V GrGr将 代入 临界晶核表面积 故有： 2 V c G r 32 22 2 42 4 3 8 4 3 41 33 Ccc c cc cC Grr r rr rA 故有： 或将代入 33 、试比较均匀形核与非均匀形核的异同点，说明为什么非均、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。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、

6、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

7、4 、何谓动态过冷度、何谓动态过冷度? ?说明动态过冷度与晶体生长的关系。在单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？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。 K T K T K T 55 、分析在负温度梯度下，液态金属结晶出树枝晶的过程。、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

8、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 66 、在同样的负温度梯下，为什么、在同样的负温度梯下，为什么PbPb结晶出树枝状晶而结晶出树枝状晶而Si Si的结的结 晶界面却是平整的晶界面却是平整的? ? 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

9、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 7、实际生产中怎样控制铸件的晶粒大小？试举例说明、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，如采用导热性好的金属模，降低浇注温度等。 （2）变质处理，即浇注前向液态金属中加入变质剂。 （3）振动、搅拌，即在浇注和结晶过程中实施振动和搅拌，以 提供形核功，增加晶核数量 88 何谓非晶态金属何谓非晶态金属? ?简述几种制备非晶态金属的方法。非晶态金简述几种制备非晶态金属的方法。非晶态金 属与晶态金属的结构和性能有什么不同。属与晶态金属的结构和性能有什么不同。

10、 非晶态金属材料 是指在原子尺度上结构无序的一种金属材料。大部分金属材 料具有很高的有序结构，原子呈现周期性排列（晶体），表现为平移对称性， 或者是旋转对称，镜面对称，角对称（准晶体）等。而与此相反，非晶态金 属不具有任何的长程有序结构，但具有短程有序和中程有序（中程有序正在 研究中）。一般地，具有这种无序结构的非晶态金属可以从其液体状态直接 冷却得到，故又称为“玻璃态”，所以非晶态金属又称为“金属玻璃”或 “玻璃态金属”。 非晶态合金具有很高的室温强度、硬度和刚度，具有良好的韧性和塑性。由 于非晶态无晶界、相界、无错位、无成分偏析，所以有很高的耐腐蚀性及高 导电率、高导磁率、低磁损和低的声波

11、衰减率等特性。广泛用于高科技领域。 制备非晶态金属的方法主要有3类： 1、通过蒸发、电解、辐射等方法使金属原子或离子凝聚或沉积而成 2、由熔融合金通过急冷快速固化而形成粉末、丝、条、带 3、利用激光、离子注入、喷镀、爆炸等方法使表面层结构无序化。 99 、何谓急冷凝固技术、何谓急冷凝固技术? ?在急冷条件下会得到哪些不同于一般晶在急冷条件下会得到哪些不同于一般晶 体的组织、结构体的组织、结构? ?能获得何种新材料能获得何种新材料? ? 急冷凝固技术是设法将熔体分割成尺寸很小的部分，增大熔体的散热面积， 再进行高强度冷却，使熔体在短时间内凝固以获得与模铸材料结构、组织、 性能显著不同的新材料的凝固方法。 非晶态合金 非晶态合金具有很高的室温强度、硬度和刚度，具有良好的韧性和塑性。由于非晶 态无晶界、相界、无错位、无成分偏析，所以有很高的耐腐蚀性及高导电率、高导 磁率、低磁损和低的声波衰减率等特性。广泛用于高科技领域。 微晶合金 微晶合金的晶粒尺寸在微米和纳米级别，晶粒细小，成分均匀，空位、位错、层错 密度大，形成了新的亚稳相等因素而具有高强度、高硬度、良好的韧性、较高的耐 磨性、耐腐蚀性及抗氧化性