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金属凝固理论 第三章习题
成型0802 丁雪芳 20081689
1. 在液态金属中，凡是涌现出的小于临界晶核半径的晶肧都不能成核。但如
果有足够的能量起伏，是否可以成核？
答：因为形核导致体积自由能下降，界面自由能增加，需要体积达到一定尺 寸才能稳定存在，所以小于临界晶核半径的晶肧都不能成核，即使有足够的 能量起伏，也不能成核。
2. 液态金属凝固时需要过冷，那么固态金属融化时是否需要过热？为什么？
答：固态金属熔化时不一定出现过热。如熔化时，液相若与汽相接触，当有 少量液体金属在固相表面形成时，就会很快覆盖在整个表面(因为液体金属 总是润湿同一种固体金属)，由附图2.6表面张力平衡可知
，而实验指出
，说明在熔化时，自由能的变
化G(表面) 3. 假设凝固时的临界晶核为立方体形状，求临界形核功。分析在同样过冷度 下均匀形核时，球形晶核和立方晶核哪一个更容易生成？ 答：根据临界形核功的计算公式： 设立方体棱长为a，则形核功令 。 得：立方体晶核的临界形核半 a。则其临界形核功 对于球形晶核，其晶核半径为，其临界形核功 经比较表明：立方晶核比球形晶核更容易形成。 4. 解释临界晶核半径r*和形核功△G*的意义，以及为什么形核要有一定过冷 度？ 答：临界晶核半径r*：只有那些略大于临界半径的晶核，才能作为稳定晶核而长大，所以金属凝固时，晶核必须要求等于或大于临界晶核。临界晶核半径随过冷度的增加而减小。 形核功△G*：形核功△G*的大小为临界晶核表面能的1/3，它是均质形核所必须克服的能障，形核功由熔体中的提供，过冷熔体中形成的晶核是“结构起伏”及“能量起伏”的共同产物。 只有低于理论结晶温度，固相自由能才能低于液态，两相自由能差值构成结晶驱动力，才有可能越过临界晶核形核所需的能量势垒，才能形核，所以形核要有一定的过冷度。 5. 说明为什么异质形核比均质形核容易？影响异质形核的因素？ 答:因为均质形核和异质形核的临界晶核尺寸相同，但异质核心只是球体的 一部分，它所包含的原子数比均质形核数小，所以异质形核阻力小，即比均 质形核容易。 影响异质形核的因素： ⑴接触角的影响： ① 杂质本身就是晶核，很容易形核 ② 小越有利； ③ ， ，杂质促进形核，外来物质表面结构，越 ，杂质不起作用 ⑵过冷度：过冷度越大，形核率越大（N-T曲线有一下降过程） ⑶ 外来物表面形貌： ①表面下凹的更有利形核，因为需要的液态原子聚集数量少 ②杂质表面的形状和粗糙度的影响：在曲率半径、接触角相同时，异质形核 率：凹平凸 6. 讨论两类固-液界面结构（粗糙面和光滑面）形成的本质及其判据。 答：光滑面：界面S相的一侧点阵位置几乎全部为S相原子所占满，只留下 少数空位或台阶，从而形成整体上平整光滑的界面结构 粗糙面：界面S相的一侧点阵位置只有约50%被S相原子所占据，形成凹凸不平的界面结构。 界面结构的判据： ①对于 的金属，凝固时S-L界面为粗糙界面，当X=0.5时，界面的自由 能最低，处于热力学稳定状态，大部分金属属于此类 ②对于 的金属，凝固时S-L界面为光滑界面，只有当X0和X1时， （晶体表面位置已被占满），界面的自由能才是最低的，处于热力学稳定状 态。 ③ 时，常为多种方式的混合。 7. 固-液界面结构如何影响晶体生长方式和生长速度？ 答：①连续生长机制—非小平面生长 粗糙界面存在50%左右随机分布的空位，构成晶体生长台阶，液相原 子能够连续、无序等效地向上堆砌，比较稳定，不易脱落或弹回，界面 连续、均匀地垂直生长。 ②二维生长生核机制—小平面生长 对平整的S-L界面，界面上没有多少位置供原子占据，单个原子在界面 上无法堆砌，在平整界面上形成一个原子厚度的核心，由于二维核心的 形成，产生了台阶，L相中的原子即可源源不断地沿着台阶堆砌，使晶 体侧向生长，当台阶被完全填满后，又在新的平整界面上形成新的二维 台阶，往复直至凝固完成。 ③从缺陷处生长机制—非完整界面的生长 a． 螺旋位错生长 当平整界面有螺旋位错出现，台阶液相中的原子不断地向台阶处堆砌，一圈又一圈堆砌完成凝固； b． 旋转孪晶生长 孪晶旋转一定角度后产生台阶，液相中的原子向台阶处堆砌而侧向生长； c． 反射孪晶生长 由反射孪晶构成的凹角即为台阶，液相中的原子向凹角处堆砌而生长。