作业材料物理习题课

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

8

何谓非晶态金属?简述几种制备非晶态金属的方法。非晶态金属与晶态金属的结构和性能有什么不同。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”。

由于传统的金属材料都以晶态形式出现。但这类金属熔体，由于极快的速率急剧冷却，例如每秒钟冷却温度大于100万度，冷却速度极快，而高温下液态时原子呈无序状态，因被迅速“冻结”而形成无定形的固体，此时这称为非晶态金属；由于其内部结构与玻璃相似，故又称金属玻璃。

这种材料强度和韧性兼具，即强度高而韧性好，一般的金属在两点上是相互矛盾的，即强度高而韧性低，或与此相反。而对于非晶态金属，其耐磨性也明显地高于钢铁材料。

非晶态金属还具有优异的耐蚀性，远优于典型的不锈钢，这可能是因为其表面易形成薄而致密的钝化膜；同时由于其结构均匀，没有金属晶体中经常存在的晶粒、晶界和缺陷，所以不易产生引起电化学腐蚀

并且非晶态金属还具有优良的磁学性能；由于其电阻率比一般金属晶体高，可以大大减少涡流损失，低损耗、高磁导，故使其成为引人注目的新型材料，也被誉为节能的“绿色材料”。

另外，非晶态金属有明显的催化性能；它还可作为储氢材料。

但是非晶态合金也有其致命弱点，即其在500度以上时就会发生结晶化过程，因而使材料的使用温度受到限制。还有其制造成本较高，这点也限制非晶态金属广泛应用。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。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。9

、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体的组织、结构?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、抗辐射稳定性等。另外，还具有高的电阻率，较高的超导转变温度、高的矫顽力等。准晶合金准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。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，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。普通晶体只能具有二次、三次、四次或六次旋转对称性，但是准晶的布拉格衍射图具有其他的对称性，例如五次对称性或者更高的如六次以上的对称性。第七章合金相与相图1、简述相图的组成并描述制作相图的方法。相图是表示在平衡状态下，系统状态或相的转变与成分、温度及压力间关系的图解，每一个相图都由组元、相区、相界线、组织组成。制作相图的方法：①配制一系列成分不同的合金；②测所配合金的冷却曲线；③找出各冷却曲线上的临界点；④将临界点标在以“温度-成分”坐标系中的相应位置，将意义相同的临界点连接起来。2、简述相律中各项的含义，应用相律说明在常压下，一员、二元、三元系统中最大的相数格式多少。相律f=n+2-p,f是体系的自由度数，即不影响体系平衡状态的独立可变参数的数目；n是指体系中组元的个数；p是体系中相的个数。常压下，相律为f=n+1-p，故对一元体系，最多有两相共存，二元体系最多有三相共存，三元体系最多有四相共存。3、简述合金与纯金属的区别。如何理解相、单相合金、多相合金。合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。纯金属是一种金属元素构成的材料。相：合金中具有同一聚集状态,同一化学成分、同一晶体晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。单相合金：该合金以单一相存在。多相合金：在一定条件下，合金中有多个相共存。4、合金相分为哪几类？从晶体结构上讲，纯金属、固溶体、化合物之间有何区别？合金相通常按在相图中的位置分为固溶体和中间相（或金属化合物）。纯金属有完美的晶体结构，原子排列具有周期性、对称性；固溶体是溶剂结构的点阵结构大致保留，但是引入了间隙或置换溶质原子，从而组成了异类原子混合的固态熔体，相当于溶剂晶格结构发生较大程度的畸变；金属化合物的组成原子有固定比例，溶剂的原有结构因溶质原子的插入而被完全破坏，形成了另一种有序的结构。5、影响合金结构的因素主要有哪些？电子因素：指与核外电子及电子迁移所引起的离子性有关的因素。如异类原子价电子数目相差较大时，有利于形成金属化合物。电负性：指合金组元原子之间的电化学亲和能力及其形成化合物倾向的判断依据。如电负性相差越大，越易形成金属化合物。原子尺寸因素：指组元间原子半径之差与其中一组元原子半径之比。当组元之间电负性相差不大时，原子尺寸相差越小，越易形成固溶体。(1)按溶质原子在点阵中所占位置分为：置换固溶体：溶质原子置换了溶剂点阵中部分溶剂原子。间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂晶格间隙中。(2)按溶质原子在溶剂原子中溶解度（固溶度）分类：有限固溶体：在一定条件下,溶质原子在溶剂中的溶解量有一个上限,起过这个限度就形成新相。无限固溶体：溶质原子可以任意比例溶入溶剂晶格中形成的。(3)按溶质原子在溶剂中的分布特点分类无序固溶体：溶质原子在溶剂中任意分布,无规律性。有序固溶体：溶质原子按一定比例和有规律分布在溶剂晶格的点阵或间隙里。(4)按基体类型分类：一次固溶体：以纯金属为基形成的固溶体。二次固溶体：以化合物为基形成的固溶体。6、固溶体可以分为哪几类?说明各类固溶体之间在结构上的差异？形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如氢、碳、硼、氮等，而溶剂元素一般为过渡族元素；溶质原子通常比间隙大，会引起很大的晶格畸变；通常为无序固溶体；间隙数目有限，故溶解度有限，只能形成有限固溶体。形成置换固溶体的组成元素的原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同；由于元素间的差距，必然会引起晶格畸变；有可能形成无限固溶体；视同类原子和异类原子间结合力的相对大小，可形成完全无序、偏聚、部分有序、完全有序固溶体。7、普通低碳钢在室温下由铁素体和渗碳体组成。铁素体是体心立方，铁原子位于阵点，碳原子位于间隙；渗碳体是正交结构，请问铁素体和渗碳体是固溶体还是化合物？若为固溶体，是哪种固溶体？刚在室温下是单相还是多相？铁素体是固溶体，属于间隙固溶体（有限固溶体，无序固溶体），渗碳体是化合物钢在室温下是多相体。8、铜镍二元合金相图部分，含镍20%的合金在温度为T1时处于平衡状态，问：（1）处于几相平衡状态？（2）有哪几个平衡相？（3）此时的自由度数？（4）分别写出每个平衡相的成分（5）计算每个平衡相的相对量（1）两相平衡状态（2）液相、固相（3）自由度数：f=n+1-p=2+1-2=1（4）含镍20%的合金在T1平衡状态下：

Ni20%,Cu80%（匀晶相图）（5）T1温度下，成分20%的合金处于L+α两相状态，故对合金：Qt=QL+Qα

对镍：Qt*20%=QL*15%+Qα*35%.

解得QL:Qα=3:1功能材料定义：以特殊的电、磁、声、光、热、力、化学及生物学等性能作为主要性能指标的一类材料。即在声、光、电、磁、热及化学性能上有特殊效应的，用于非结构目的的高技术材料。功能材料的的品种繁多，目前已达十多万种，而且还以每年百分之五的增长率不断增加。目前主要是根据材料的化学组成、应用领域、使用性