第6章 单组元相图及纯晶体的凝固一、选择题1．在纯铁的温度—压力相图中，斜率为负的相界线是（）的相界线。
[上海交通大学2006研]A．和α-Feγ-Feγ-Feδ-FeB．和C．和液相δ-Fe【答案】A2．凝固时不能有效降低晶粒尺寸的是以下哪种方法？（）[华中科技大学2006研]A．加入形核剂B．减小液相的过冷度C．对液相实施搅拌【答案】B3．在单相固溶体铸锭中，形成枝晶的条件（）。
[东南大学2006研]A．成分过冷度越大越易形成枝晶B．没有成分过冷才能形成枝晶C．正常凝固条件下才能形成枝晶D．平衡凝固条件下才能形成枝晶【答案】A4．（多选）调幅分解是固溶体分解的一种特殊形式（）。
[哈尔滨工业大学2007研]A．一种多晶形转变B．形核和长大的过程C．无形核的直接长大过程D．一种固溶体分解为成分不同而结构相同的两种固溶体【答案】CD二、填空题1．亚稳分解和不稳分解中，分相需要位垒的是_________，存在负扩散的是_________。
[天津大学2010研]【答案】亚稳分解；不稳分解2．固态相变形核的驱动力是________，阻力主要是________和________。
[北京工业大学2008研]【答案】新相和母相的自由能之差；界面能；弹性应变能3．再结晶形核时，对于弓出形核机制，多发生在_______的金属中。
[江苏大学2005研]【答案】较小冷塑性变形三、判断题1．纯金属凝固时，界面前沿液体的过冷区形态和性质取决于液体内实际温度的分布，这种过冷叫做成分过冷。
（）[北京工业大学2008研]【答案】×2．结构简单、规整度高、对称性好的高分子容易结晶。
（）[北京工业大学2008研]【答案】√3．固溶体合金不平衡凝固时因溶质的在液固两相分布不同而产生晶内偏析，工程上为了消除晶内偏析必需采用缓慢冷却。
（）[华中科技大学2005研]【答案】×【解析】通过均匀化退火（或称扩散退火），即在固相线以下较高温度（确保不出现液相，否则会使合金“过烧”）经过长时间的保温使原子扩散充分，使之转变为平衡组织。
4．金属以及合金由液态转变为固态的过程称为结晶，是一个典型的相变过程。
）[哈尔滨工业大学2007研]【答案】×【解析】结晶过程无相变。
5．固溶体合金的液固相线间距越大，非平衡凝固时产生的偏析和集中缩孔越严重。
（）[合肥工业大学2006研]【答案】×【解析】固溶体合金的液固相线间距越小，则非平衡凝固时产生的偏析和集中缩孔越严重。
四、名词解释1．同素异形转变[东北大学2007研]答：同一物质的不同的晶体结构称为同素异形体。
每一种同素异形体都是一个相，它们之间在一定条件下也将发生相互转变，称同素异形转变。
2．均匀形核和非均匀形核[吉林大学2009、2010研]答：晶体结晶的过程是一个形核、长大的过程，其中形核分为均匀形核和非均匀形核两种，大多以非均匀形核方式进行。
（1）均匀形核（均质形核）是在均匀单一的母相中形成新相结晶核心的过程。
均质形核是由于浓度波动、能量波动等热力学动力学条件成熟后，大量原子聚集达到核坯尺寸，从而晶粒长大，异质形核是在钢中夹杂物或者被打碎的枝晶为核心，晶粒以该核心为中心，长大。
均匀形核必须具备的条件：必须过冷，过冷度越大，形核驱动力（G V）越大，临界形核功（G*）和临界核半径（r*）减小；必须具备与一定过冷度相应的能量起伏和结构起伏。
（2）非均匀形核是利用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。
在非均匀形核时，临界半径只是决定晶核的曲率半径，接触角θ才决定晶核的形状和大小。
θ角越小，晶核的体积和表面积也越小，形核越容易。
3．初晶区[天津大学2010研]答：在冷却析晶时能够首先析出某种晶体的系统组成点，即为该晶体的初晶区。
4．枝晶偏析[南京理工大学2009研]答：由于冷却速度较快，使液相中的原子来得及扩散而固相中的原子来不及扩散，以至于固溶体先结晶中心和后结晶部分成分不同，称为晶内偏析。
而金属的结晶多以枝晶方式长大，所以这种偏析多呈树枝状，先结晶的枝轴与后结晶的枝间成分不同，又称为枝晶偏析。
固相线与液相线的水平距离和垂直距离越大，枝晶偏析越严重。
铸铁的成分越靠近共晶点，偏析越小，反之越大。
5．结晶潜热[重庆大学2010研]答：在液体向晶体结晶过程中，自由能差所产生的剩余能量将以热的形式向外界释放，该部分释放的热量即为结晶潜热。
过冷度越大，则自由能差越大，结晶潜热也越大。
另外，结晶时的潜热析出将补偿晶体物质向环境散热引起的温度下降，使过冷度减小，其结果将形成一种动态平衡，可使过冷度ΔT 保持不变，换句话说，在一定的环境条件下，晶体的结晶温度是不变的，结晶过程是在恒温下进行的，直至结晶结束。
6．平衡分配系数与有效分配系数[江苏大学2006研]答：平衡分配系数是指某一温度平衡凝固时固相的质量分数w s 和液相质量分数w l 之比，是表示溶质重新分布的程度的量。
为了表征液体中的混合程度，定义有效分配系数k e ：，其中为固体质S i e L =k ρρB ()()S i ρ()量浓度，为液体质量浓度。
L ρB ()五、简答题1．利用如图6-1所示的自由能-成分曲线说明，公切线将成分范围分成三个区域，各区域内哪些相稳定？为什么？[北京科技大学2005研]图6-1答：与A 组元的截距表示A 组元在固溶体成分为切点成分时的化学势；而与B 组元的截距A μ表示B 组元在固溶体成分为切点成分时的化学势。
在二元系中，当两相（例如为固相B μ和固相）平衡时，热力学条件为，，即两组元分别在两相中的化学势αβαβAA μμ=αβB B μμ=相等，因此，两相平衡时的成分由两相自由能-成分曲线的公切线所确定。
在题图所示的自由能-成分曲线中，左侧A~范围是相稳定，因它的自由能最低；αB N α右侧~B 范围是相稳定，也因其自由能最低；两公切点之间~范围是两相βB N βαβN ββN α+β共存稳定，因任意一个单相存在时的自由能都不如它分解为成分为公切点处的时两相α+β自由能的加权值（在公切线直线上）低。
2．叙述你所熟悉的某一类材料的凝固过程。
[中南大学2008研]答：以金属材料为例。
金属材料在凝固后通常得到结晶体，其凝固过程（也称结晶过程）一般分为如下两个阶段：（1）金属的形核通常在金属熔体中的小尺寸的晶胚上进行，通过原子扩散而逐步形成能够稳定存在并长大的晶核，而且纯金属的形核过程一般需要满足能量和结构起伏外加过冷度的条件，而合金的形核还要一定的成分过冷条件。
（2）金属形核后的长大通常需要一个较小的过冷度，原子扩散而长大，在长大过程中结晶界面是粗糙界面，因此金属长大速度一般很快，而结晶界面结构、温度梯度和结晶速度会影响到长大后的晶粒形状和大小，纯金属在负的温度梯度下才可得到树枝状组织，而对于合金通常还会造成合金结晶后出现成分偏析，可在正的温度梯度下得到树枝状组织。
3．试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量和结构条件。
[华中科技大学2006研]答：分析结晶相变时系统自由能的变化可知，结晶的热力学条件为。
由单位体0G ∆<积自由能的变化可知，只有，才有，即只有过冷，才能使m V mL T G T ∆∆=-0T ∆>V 0G ∆<。
动力学条件为液相的过冷度大于形核所需的临界过冷度，即。
V 0G ∆<*T T ∆>∆由临界晶核形核功可知，当形成一个临界晶核时，还有1/3的表面能必13G A σ**∆=须由液体中的能量起伏来提供。
液体中存在的结构起伏，是结晶时产生晶核的基础，因此，结构起伏是结晶过程必须具备的结构条件。
4．纯金属与固溶体合金平衡结晶有什么相同点和不同点？[哈尔滨工业大学2007研]答：（1）相同点：①都需要过冷；②它们的形核条件都需要能量起伏和结构起伏；③它们的形核方式都分为均匀形核和非均匀形核；④它们共有的长大方式为垂直长大方式；⑤正温度梯度时它们都呈平面状长大形态以及在负温度梯度下时它们都呈树枝状长大形态。
（2）不同点：①纯金属有固定的熔点，因此是恒温结晶，而固溶体合金具有一定的结晶温度范围；②在形核条件中，固溶体合金需要成分起伏，而纯金属不需要；③固溶体合金有成分过冷，所以，固溶体合金在正温度梯度时也可能出现胞状或树枝状长大形态。
5．简述均匀形核的形核率与过冷度的关系。
[南京航空航天大学2008研]答：形核率受两个互相矛盾的因素控制：一方面从热力学考虑，过冷越大，晶核的临界半径及临界形核功越小，因而需要的能量起伏小，满足的晶胚数越多，稳定晶核容r r *≥易形成，则形核率越高；但另一方面从动力学考虑，晶核形成需要原子从液相转移到临界晶核上才能成为稳定晶核。
过冷度越大，原子活动能力越小，原子从液相转移到临界晶核上的几率减小，不利于稳定晶核形成，则形核率越低。
因此综合考虑上述两个方面，形核率可用下式表示：。
式中N 为总的形核率；为受形核功影响的形核率因子；12N N N =⋅1N 为受原子扩散影响的形核率因子。
2N 又∝，∝，所以：·。
式中，K 为比例常数；1N */()e G RT ∆2N /()e Q RT */d e GT N K -∆=()/e Q kT -为形核功；Q 为原子从液相转移到固相的扩散激活能；k 为玻尔兹曼常数；T 为绝对*G ∆温度。
当过冷度较小时，形核率主要受项的控制，随过冷度增大，形核率迅速增加；但当1N 过冷度很大时，由于原子活动能力减小，此时形核率主要由项控制，随时冷度增加，形2N 核率迅速减小。
6．什么是粗糙界面和光滑界面？它们对晶体生长方式和形态有何影响？[昆明理工大学2010研]答：（1）晶核长大是液-固界面两侧原子迁移的过程。
界面的微观结构必然影响晶核的长大方式，液-固界面按微观结构可分为两种，即光滑界面和粗糙界面。
所谓光滑界面是指在界面处固液两相是截然分开的。
固相表面为基本完整的原子密排面，所以从微观来看界面是光滑的。
但从宏观上看，它往往是由若干曲折的小平面组成，是不平整的，因此光滑界面又称小平面界面。
所谓粗糙界面是指在微观上高低不平，存在厚度为几个原子间距的过渡层的液-固界面。
这种界面在微观上是粗糙的。
由于界面很薄，所以从宏观上看界面反而是平整光滑的，这种界面又称为非小平面界面。
常见金属的液-固界面为粗糙界面，一些非金属、亚金属、金属间化合物的液-固界面多为光滑界面。
（2）不同类型的界面，晶体的长大机制和形态不同。
具有粗糙界面的物质的长大机制。
具有粗糙界面的物质，界面上有一半的结晶位置空着，液相中的原子可直接迁移到这些位置使晶体整个界面沿法线方向向液相中长大。
这种长大方式叫垂直长大。
垂直长大时生长速度很快。
