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1、第六章液态金属结晶的基本原理1、怎么从相变理论理解液态金属结晶过程中的生核、成长机理？答：相变理论：相变时必须具备热力学和动力学条件。金属结晶属一种相变过程：热力学条件即过冷度AT 驱动力AGv动力学条件：克服能障热力学能障界面自由能形核-动力学能障激活自由能AG 长大A若在体系内大范围进行，则需极大能量，所以靠起伏，先生核一一主要 克服热力学能障，然后出现最小限度的过渡区“界面”，此界面逐渐向液相内推 移长大(主要克服动力学能障)。2、试述均质生核与非均质生核之间的区别与联系，并分别从临界晶核曲率半径、 生核功两个方面阐述外来衬底的湿润能力对临界生核过冷度的影响。要满足纯 金属非均质生核的热
2、力学要求，液态金属必须具备哪两个基本条件？答:(1)2cr * = r * = lc均 非 AGV2c TLC 0LAT相等V非2一3c o + c o S04非均质生核所需体积小，即相起伏时的原子数少。(2) AG*均16no 3 TLC 0L AT 2AG * =AG * f G)非均两种均需能量起伏克服生核功，但非均质生核能需较小。(3) 右图看出9 Tt AT * T非fV It AT I非即:对r * : 9与AT *的影响.非(4) 生核功:ag* 二PnoXf) 非 3 LAT2f G AG * It 能量起伏 It AT I非（5）纯金属非均质生核的热力学条件：2br * =l
3、c非AGVAG *6 空 f )非 3 L AT 2液态金属需具备条件（1）液态金属需过冷（2）衬底存在。3、物质的熔点就是固、液两相平衡存在的温度、试从这个观点出发阐述式（43）中r *与AT之间关系的物理意义。答：式 43 r* = lc = lc 0均 AGLATV当T二T时，两相平衡；0当T （- In A）KTi取决于A （处于过冷状态，且相变 VFF驱动力克服此能障）河北科 技大学材料科学与工 程学院动力学能障：AGA5、从原子尺度看，决定固一液面微观结构的条件是什么？各种界面结构与其生长机理和生长速度之间有何联系？它们的生长表面和生长防线各有什么特点？八v丿a 2平整界面动力学因
4、素：大：连续生长粗糙界面结构 非平衡时 AT i小：平整界面的生长平整界面结构k（2）粗糙界面：连续生长R二uAT1 k区完整平整界面：二维生核R二u eATkAT TTt连续生长2 k非平整界面：螺旋生长，R = u AT 2。3 k旋转单晶，反射单晶。（3）生长方向：粗糙界面：各向同性的非晶体单晶等，生长方向与热流Y方向相平行，-平整界面：密排线相交后的棱角方向生长表面：粗糙界面：因是各向同性，光滑的生长表面。I平整界面：棱角分明的密排小晶面，6、我们从什么尺度着眼讨论单晶合金的结晶过程的？它与结晶的原子过程以及最后的晶粒组织之间存在什么联系？答：（1）从宏观尺度着眼讨论单相合金的结晶过程
5、，主要是与“原子尺度”相区别的。（2）与结晶的原子过程之间的关系：不同的结晶方式：平面生长-胞状生长-枝晶生长。原子过程：小面生长和非小面生长。任何一种生长方式都可以是小面生长或非小面生长 (3)与最后的晶粒组织之间的联系。平面生长：单晶或无分支的柱状晶组织。胞状生长：胞状晶 一簇为一些平行排列的亚结构。 柱状枝晶生长：柱状枝晶。等轴枝晶生长(内生长)：等轴枝晶。7、某二元合金相图如图所示。合金液 成分为w = 40%，置于长瓷舟中并从左B端开始凝固。温度梯度达到足以使固一液界面保持平面生长。假设固相无扩散，液相均匀混合。试求：(1)a相与液相之间的平衡分配系数k ; (2)凝固后共晶 0体的
6、数量占试棒长度的百分之几？(3)画出凝固后的试棒中溶质B的浓度沿试棒长度的分布曲线，并注明各特征成分及其位置。C *30解：(1) k 二 s = 0.5o C *60L(2)根据公式C* 二 60%L0.6 二 0.4f -0.5 n 3 二广:n 9 二 f -i n f 二-=44.4%L 2 L 4 L L 9fs 二 0C* = k C = 0.5 x 40% = 20%S00.共晶体占试棒长度的44.4%T=500CC* 二 30%S8、假设上题合金成分为w = 10%。B(1)证明已凝固部分(f )的平均成分c S为CSSSS(2) 当试棒凝固时，液体成分增高，而这又会降低液相线
7、温度。证明液相线温河北科技大学材料科学与工程学院度T与f之间关系为T二T + mC (1 - f )ko-i式中T为A的熔点，m为液LSL 00S0相线倾率。(3)在相图上标出T分别为750C、700C、600C与500C下的固相平均成分。L问试棒中将有百分之几按共晶凝固?答： CS - fs +5 fL - C0WB 二 10%C 二 0.10CL _ CL _ C0 6 一 fS L-1 二 C - f + C (1 - f )k0-1 (1 一 f) CSC _ CC 0S_ Cf s(2) T T + mC T + mC* T + mC (1 一 f X)-1L 0L 0L 00S(3
8、)T 750CLG - f )-0.5 2.25Sf 0.8SC 6.9%S70030.897.56004.50.958.150060.978.6T 500C,f 1 -0.97 0.03 3% ,3%按共晶结晶。LCCL C* C f k0-1，f 1-k0 0 ， f L L 0 LLC *LL(C )0C *I CL, C 10 C 600L9、固相无扩散，液相均匀混合。假设图PQ线是c (Tt时固相成分)与界面处固S相成分C ”的算数平均值。试证：C C (2 -k )SS 00C + C ” 证明：C二CS十S 0 2C” 二2C -k CS000二 C (2 - k )0 010、
9、何谓成分过冷判据？成分过冷的大小受哪些应诉的影响？它又是如何影响着 晶体的生长方式和结晶状态的？所有的生长方式都仅仅由成分过冷因素决定 吗？答：（1）成分过冷判据Gl R 25X10-3 cm；，多数金属在液相线温度下m丨1。假设P,二匕,试分别求出下表中当Co = 10%（质量分数，下同）、1%、0.01%以及ko = 4与0.1时的确保平面生长所必须的Gi值。考虑到铸锭或铸件中一般情况下Gi 04 ,RDkl 0小、mC (1 k)RG 00iDkl 0C = 10%10m(1 0.4) X10-5 x 0.410m(1 0.1) _ _ . _ _ _. _ x 2.5 x 10-3 =
10、 2.25 一 104 m10-5 X 0.12.5 x10-3 = 3.75 x103 mCo = 1%1x m(1 0.4),G x 2.5x10-3 =3.75x102ml10-5 x 0.41x m(1 0.4),G x 2.5 x10-3 = 2.25 x103 ml10-5 X 0.1C = 0.010.01x10-2 x m( 0.4)10-5 x 0.4x 2.5 x10-3 = 3.75m0.01x10-2 x m( 0.4)10-5 x 0.1x 2.5 x10-3 = 2.25m结论: k T 容易平面生长0 c J容易平面生长0n T T J,越容易平面生长1 210%
11、（重 量）1%（重 量）0.01%（重 量）0.40.1一般铸造条件下很少平面生长。12、共晶结晶中，满足共生生长和离异生长的基本条件是什么？共晶两相的固液 界面结构与其共生区结构特点之间有何关系？它们对共晶合金的结晶方式有 何影响？答：（1）共生生长的基本条件：a. 共晶两相应有相近的析出能力，原析出相在领先相得表面生核，从而便于 形成具有共生界面的双向核心。b. 界面沿溶质原子的横向扩散能保证共晶两相等速生长，使共生生长得以继续 进行。（2）离异生长的基本条件 一相大量析出，而另一相尚未开始结晶时，形成晶相偏析型离异共晶组织。 合金成分偏离共晶点很远，初晶相长的很大，共晶成分的残面液体很少，另一相得生核困难：偏离共晶成分，初晶相长的较大，另一相不易生核或 当领先相为另一相的“晕圈”，被封闭时，形成领先相成球状结构的离异共晶组织.（3）两相固-液界面结构分为：非小面一非小面共晶合金：共生区对称；非小面一小面共晶合金：非对称共生区，偏向非金属高熔点一侧；（4）非小面-非小面：共面生长：层片状，棒状，碎片状，特殊：离异非小面-小面：可以共生生长，与以上不同：当生长界面在局部是不定的， 固液界面参差不齐，领先相的生长形态决定着共生两相的
