相变原理复习题

1、相变原理复习题（修改）绪论：相、相变的含义，举例说明物相发生突变的几种形式。1、相的定义：（两个定义选答任一一个即可）（物理学定义：）具有化学组成和物理性质（密度、强度、硬度、热膨胀系数、介电常数、 热容、晶体结构等）完全相同的宏观物理系统。（热力学定义：）在热力学变量的参数空间里，其自由能是可被解析的系统。也就是说在同 一相的两个状态可以互相转变而不引起热力学性能的突变。2、相变的含义：（三个定义选答任一一个即可）1相与相之间的转变2母相到新相的变化过程 3热力学系统由一相转变为另一相。3、 举例说明物相发生突变的几种形式（答a、b、c三种形式，每种形式任举一例即可）a、 从一种结构到另一种

2、结构：固-液-气之间的相互转变：蒸发、熔化、凝固、升华等b、 某种物理性质的跃变：磁性材料的顺磁-铁磁转变、顺电体-铁电体转变、液 He的超流C、化学成分的变化：固溶体的脱溶：Al-Cu ' ' ' （CuAI 2）以及溶液的脱溶沉淀第一章相变的分类1 热力学分类的方法一级相变的定义及其特征并举例A、定义：相变时，如两相的自由焓（ G）或化学势（卩）相等，但化学势的一阶偏导不等， 此相变称为一级相变。B、 一级相变特征：1有熵和体积的突变，表示有相变潜热的吸收或释放；2存在温度或压强滞后现象；3亚稳相和新相可以同时共存。C、一级相变举例：（任举一例即可）凝固、沉积、升华

3、、熔化以及金属中多数固态相变都是一级相变。二级相变的定义及其特征并举例A、定义：相变时两相化学势相等，一阶偏导也相等，二阶偏导不等B、 二级相变特征：1无化学势、熵、和体积的变化；2比热、压缩率、膨胀系数、热容、 等出现突变； 3.无温度、压强滞后现象，两相不可共存。C、二级相变举例：（两个定义选答任一一个即可）超导相变、磁性相变、二级铁电相变、二级有序-无序相变、玻璃态相变二级相变主要是一些比较特殊的相变：如铁磁相变、超导相变、超流等等。2 按相变方式分类（2和3以判断题形式出题）成核-长大型，连续型相变的概念成核-长大型：由组成波动程度大，空间范围小的起伏开始发生的相变，初期起伏形成新相

4、核心，然后是新相核心长大。连续型相变：是由组成波动程度小、空间波动范围广的起伏引起的相变，即起伏连续的生长而形成新相。均匀相变，非均匀相变的概念均匀相变：没有明确的相界，相变在这个体系均匀地进行。其新相成分或序参量逐步地接近 稳定相。这类相变是由这个体系通过过饱和或过冷相内原始小的起伏经“连续”地（相界面 不明显）扩展而进行的，对应连续型相变。非均匀相变：对应成核-长大型相变，一般把体系空间分为未经相变的部分和已经相变的部 分。二者之间存在相界，通过新相的成核、而后长大进行相变。3. 按原子迁移方式分类扩散型相变，无扩散型相变的概念扩散型相变：依靠原子或离子的扩散来进行的相变无扩散型相变：相变

5、时不存在原子或离子的扩散，或虽存在原子或离子的扩散但扩散不是相变所必需的或不是主要过程的相变即为无扩散型相变。第二章相变热力学1 为什么会发生相变？相变的判据。原因：因为相对于终态来说，系统（相）的始态是不稳定的。相变能否进行的判据：？G=G2-G1<02 相互作用参数 及其与自由能-成分曲线的关系定义：相互作用参数：=NoZ * （AB- （ AA+ BB）/2）关系：与自由能-成分曲线的关系：<0及=0时，曲线呈下凹的弧形；当 >0时，曲线呈W”形的曲线。（-答题时最好能给出图形描述更直观）3 图解法确定相变的驱动力和初始驱动力。A、相变驱动力（答题时没有右图，需自己画图

6、进行说明） 作、自由能曲线的公切线 由X0作垂线，与公切线和自由能 G曲线交点分别 为D和B,则BD为总的相变驱动力。B、相变初始驱动力 过相吉布斯自由能曲线上相应母相成分点作切线 作 相和 相吉布斯自由能曲线的公切线，与相吉布斯自由能曲线相交于 Q点。 过Q点作垂线，与 相吉布斯自由能曲线上相应母 相成分点切线相交于 P点。则PQ为相变的初始驱动力。4根据吉不斯自由能一组成曲线分析如图所示的成分为X）的相发生转变时的析出顺序新相形成的顺序有两种析出途径：（两种析出途径都要答出）1. 先转变3相，由于刚开始时，有析出B相的驱动力， 而没有析出a相的驱动力，所以先析出B相；3相成分 点向左进行，

7、当B相达到一定量后，才有析出a相的驱 动力，随后有a析出。2. 先析出a相，由于刚开始时，有析出a相的驱动力， 而没有析出B相的驱动力，所以先析出a相；丫相成分 点向右进行，当a相达到一定量后，才有析出B相的驱 动力，随后有B析出。最终的平衡相为a相和B相。5 假设H及S与温度无关，证明金属在熔点以 上不可能发生凝固。证明：在平衡条件下：G=0，即 H-T0 S=0则S= H/T 0 T0相变平衡温度一般情况下：G= H-T S= H-T H/T 0= H (T 0-T)/T 0= H T/T 0<0，相变才能发生金属凝固时放热反应：对放热相变H<0，则需T>0,即T0>

8、;T ，需过冷所以金属在熔点以上不可能发生凝固。6试由二元系固溶体（<0）吉布斯自由能曲线说明固溶体中出现成分不均匀在热力学上是不稳定的。由<0可知其吉布斯自由能曲线如右图所示：若在x0两侧任|取两点x1,x2 ， 可得以x1,x2为两成分点对应平均吉布斯自由能G大于以x0为单一成分点的吉布斯自由能，不同成分点同理。所以由吉布斯自由能总是趋于更小 为稳定状态可知：固溶体中出现成分不均匀在热力学上是不稳定的。7个二元合金由 固溶体和 中间相组成，与中间相相邻的固溶体的溶解度越小。（答案见手写材料）8. TTT图的概念及各区域的含义用物质的过冷度（ATTm T ）为纵坐标，冷却时间为横

9、坐标所得图形称为3T图（相变量-温度-时间关系图）。3T曲线大体上是一条头部朝左的抛物线状（或呈C型）各区域的含义：转变开始曲线左侧为相变孕育期，转变完成曲线右侧为相变完成区，二者之间为转变区9.纯 Ti14.65K/的平衡相变温度为882 C，相变焓为J/mol，试求将冷却到800 C,的相变驱动力。（答案见手写材料）第三章形核长大理论1.均匀成核，非均匀成核的概念，热力学分析过程A、均匀形核：晶核在整个体系中均匀地形成。非均匀形核：核化在异相界面（容器界面、异体物质、内部气泡等）上进行B、热力学过程：均匀形核:G4r3 Gv4 r2 sl3可得：* r2 sL2 T1sL m 1 和16

10、SL和 GH vTG v3 Gv 2非均匀形核：（-参见ppt70）16 13 H：( T)2（一 参见ppt65、66）当sL各向同性时，这样的形状为球形。MLVSr3323coscos 3Asl22r 1 cosASMr2 sin 2G非4r3 Gv4 r223 cos3cos G ? f3SL4* r非2SLr *GvG*非163l_? f16一1? fG * ?f3Gv23H：(T)2 ' fG非2. 晶核剂对熔体结晶过程的临界晶核半径 r有何影响？没有影响。由上一题的解答可知有晶核剂参与的形核（即非均态形核），其临界半径r不变的，与均态形核是临界半径相同3. 熔体结晶时晶核的

11、半径r与G之间的关系如图，并说明理由。（相变过程为放热过程）（答案见手写材料）4. 在不均匀成核的情况下，并证明当90时，Gh是均匀成核活化能的一半。（答案见手写材料）（-参见第一题）5 .非均态核化的相变活化能与均态核化的相变活化能的关系6. 简述区域熔炼技术的提纯原理。合金凝固时，服从固相中无扩散，液相中完全混合的凝固，即正常凝固。其分配系数 K=Xs/Xl1，在固相中溶质浓度很小，而液相中较大，导致凝固时使先析出的固相溶质含量 非常低而到达区域熔炼的结构。7. 成分过冷成分过冷：凝固前沿溶质浓度变化，使平衡凝固温度相应变化。8. 微观界面种类及其长大机制A、微观界面种类：粗糙界面和光滑界

12、面B、 长大机制a连续长大b表面形核（二维晶核）长大c螺旋生长9 .宏观长大方式及其条件方式：平面长大和树枝状长大方式条件：前者为液体具有正温度梯度（液体中心温度高），后者为液体具有负温度梯度10. 共晶组织形貌主要有哪些？决定共晶组织形貌的主要因素是什么？A、形态：层状或棒状B、影响因素：体积分数和比界面能11. 片层状共晶的片层间距与凝固的过冷度有何关系？（-参见ppt120）片层间距与凝固的过冷度呈反比关系，我们常观察到的片层间距为2入，此种间距片层生长速率最快。12. 合金凝固可能产生哪些偏析？工业上能否消除宏观偏析？怎样在凝固过 程控制宏观偏析（一具体参见ppt135 ）A、 偏析：

13、宏观偏析和微观偏析。微观偏析又分为a胞状偏析：胞晶内部溶质浓度低，胞界 溶质浓度高b枝晶偏析：先结晶枝干溶质浓度低，后结晶枝间溶质浓度高。B、宏观偏析不可消除C、控制：减少液相流速，控制冷却速度。13. 共格界面、半共格界面和非共格界面的能量关系。共格界面 半共格界面 非共格界面14. 为什么会发生粗化？粗化的防止。（- 具体参见ppt203-213 ） 粗化的原因：粗化会使界面减少，从而降低自由能_3 _3 8D 2CB粗化的防止：由公式rr。t可知防止粗化应注意以下几点：9RT1、低D （扩散系数）2、低CB（平衡溶解度）3、低丫（界面张力）4、此外加入合金元素或弥散第二相，产生富集在相界

14、或晶界的杂质原子，阻碍晶界迁移，也可防止粗化In2 VbkTrVbkTr15. 吉布斯-汤姆逊定理，这一定理说明了什么？球形这个定理将界面的曲率半径和界面附件溶质原子的平衡浓度联系起来，定理说明：沉淀越小，溶解度越大。柱形16. 有序结构，有序固溶体（超结构），反相畴的概念，短程有序与长程有序的关系。有序度与温度的关系。A、有序结构：在固溶体中，当一种原子的最近邻为异类原子时的结构。 有序固溶体：当一种原子的最近邻为异类原子的固溶体称为有序固溶体 有序畴（反相畴）：固溶体内部，原子有序排列的微小区域。B、短程有序与长程有序的关系：当完全无序时，二者都为0，完全有序时，二者都为 1。在其他情况下

15、，二者可能不一样。此外长程与短程是相对的。C、与温度关系：在临界温度Tc时，对于一级相变，长程有序度和短程有序度均有突变，二级相变则没有。此外短程有序度在两种情况中均不为零（见 ppt234）17. B相在a相基体上借助于丫相非均匀形核，临界晶核形核功是均匀形核时的5/16（答案见手写资料）第四章调幅分解理论1. 什么叫调幅分解？定义：过饱和固溶体在一定温度下分解成结构相同、成分不同的两个相的过程。2. 不混溶固溶体的成分与自由能的关系。（1）当成分落在两个拐点之间时G'<0, G<0，分解自发进行。该区域称作调幅分解区域（2）当成分在拐点之外，平衡相之间时小的成分起伏后，

16、系统自由能增加，系 统处于亚稳状态。这两个区域称作成核-生长亚稳区。（3）当成分在平衡相之外时不发生分解，单相区第五章钢中的相变（参见马氏体相变.ppt ）1. 试分析弹簧钢丝经“派登”处理后具有高强度、高塑性的原因。原因：珠光体基体相是铁素体，软易变形，靠渗碳体分散其中来强化。主要是依靠相界面强 化。相界面增加了位错运动的阻力，从而提高了强度和硬度。渗碳体片越厚，片间距越大， 相界面越少，强化作用越小。渗碳体片越厚，越不易变形，易脆裂形成大量微裂纹，降低塑 性和韧性。所以片层间距越大，强度越低，塑性越差。反之，渗碳体片越薄，越容易随铁素 体一起变形而不脆裂，而且相界面积越大，对位错运动阻力越

17、大，强度越高。冷塑性变形还 可使索氏体亚晶粒细化， 形成有许多位错网络组成的位错壁，这种位错壁彼此之间的距离随变形量增大而减小，强化程度增大。2. Ms, Mf, Md，Ad, As, Af是什么含义？影响 Ms的因素。为什么发生马氏体 相变需要深过冷？马氏体相变分类。含义：Ms马氏体相变起始温度；Mf马氏体相变终止温度；Md形变诱发马氏体转变温度 As奥氏体相变起始温度；Af奥氏体相变终止温度；Ad形变诱发奥氏体转变温度 影响Ms因素：1、奥氏体化学成分 2、奥氏体晶粒大小 3、形变与应力4、淬火速度5、磁场 深过冷：马氏体相变存在界面能、弹性应变能、切变应变能、缺陷（高密度位错、孪晶）形

18、成能等相变阻力。只有相变驱动力大得足以克服这些相变阻力时，新相才有生长的机会，因此马氏体相变需要深过冷（以提供足够大的相变驱动力） 分类：马氏体转变的三种情况：变温转变、爆发转变、恒温转变3. 钢中马氏体主要有哪些的形貌，其亚结构是什么？A、板条马氏体，亚结构为高密度位错B、片状马氏体，亚结构为孪晶C、蝶状马氏体，亚结构为位错，无孪晶D、薄片状马氏体，亚结构为孪晶，无中脊E、马氏体，亚结构为高密度位错4. 形状记忆效应及其基础？将母相施加应力诱发马氏体并发生形状改变或经相变得到马氏体再经塑性变形改变形状，经加热，马氏体发生逆转变，马氏体消失时，完全回复母相的形状。这种效应称为形状记忆效 应。其基础为伪弹性（应了解伪弹性的概念和形成机理）（链接：有些合金如（ Au-Cd，In-TI等）在受一定应力时会诱发形成马氏体，相应地 产生应变，应力去除后马氏体立即逆变为母相，应变回复。这现象称为“伪弹性”）5. 试述ZrO2增韧陶瓷的增韧机理有哪些？陶瓷中 ZrO2晶粒尺寸对陶瓷材