纯金属的凝固

纯金属的凝固习题与答案1 说明下列基本概念凝固、结晶、过冷、过冷度、结构起伏、能量起伏、均匀形核、非均匀形核、临界晶核半径、临界晶核形核功、形核率、生长线速度、光滑界面、粗糙界面、动态过冷度、柱状晶、等轴晶、树枝状晶、单晶、非晶态、微晶、液晶。

2 当球状晶核在液相中形成时，系统自由能的变化为σππ23344r G r G V +∆=∆，(1)求临界晶核半径c r ；(2)证明V V c c G A G c ∆-==∆231σ(c V 为临界晶核体积)；(3)说明上式的物理意义。

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。

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？5 分析在负温度梯度下，液态金属结晶出树枝晶的过程。

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?7 实际生产中怎样控制铸件的晶粒大小?试举例说明。

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。

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?. 计算当压力增加到500×105Pa 时锡的熔点的变化，已知在105Pa 下,锡的熔点为505K ，熔化热7196J/mol ，摩尔质量为118.8×10-3kg/mol ，固体锡的体积质量7.30×103kg/m 3，熔化时的体积变化为+2.7%。

2. 考虑在一个大气压下液态铝的凝固，对于不同程度的过冷度，即：ΔT=1，10，100和200℃，计算： (a)临界晶核尺寸；(b)半径为r*的团簇个数；(c)从液态转变到固态时，单位体积的自由能变化ΔGv ； (d)从液态转变到固态时，临界尺寸r*处的自由能的变化 ΔGv 。

铝的熔点T m =993K ，单位体积熔化热ΔH f =1.836×109J/m 3，固液界面自由能γsc =93J/m 2，原子体积V 0=1.66×10-29m 3。

纯金属与合金凝固的异同点嘿，小伙伴们！今天我要和你们聊一个超级有趣的话题，那就是纯金属与合金凝固的异同点。

这可是个很神奇的知识哦，就像打开了一个神秘的宝藏盒子，里面藏着好多有趣的秘密呢！先来说说纯金属凝固吧。

有一次，我在科学课上看到老师做了一个实验。

老师把一小块纯铜放在一个加热的容器里，慢慢地，铜块开始变软，就像巧克力在太阳下融化一样。

然后，老师关掉了加热装置，哇，神奇的事情发生了！铜块开始慢慢变硬，从液体变成了固体。

这就是纯金属的凝固过程哦。

我当时眼睛都不眨地看着，心里觉得好惊讶呀！就好像看到了一个小魔法在我眼前发生。

纯金属凝固的时候，就像是一个整齐的小士兵在排队，它们会按照一定的规则，非常有序地排列起来，形成一个有规律的结构。

再说说合金凝固。

我家有一个很漂亮的不锈钢勺子，我就很好奇它是怎么制作出来的。

后来我才知道，不锈钢其实就是一种合金。

合金凝固和纯金属凝固有点不一样哦。

比如说，我们把一些铁和碳放在一起加热，它们会融合在一起变成液体。

当这个液体开始凝固的时候，就不像纯金属那么整齐啦。

里面的各种元素就像一群调皮的小伙伴，它们会互相拉扯、互相影响，最后形成一个有点复杂的结构。

但是呢，也正是因为这样，合金往往会有一些特别的性能，比如不锈钢就很坚硬，还不容易生锈。

那纯金属和合金凝固有什么相同的地方呢？我发现呀，它们都要经历从液体变成固体的过程，就像我们从水变成冰一样。

在这个过程中，都需要一定的温度条件。

而且，它们凝固的时候都会放出一些热量哦，就好像在告诉我们它们在努力地变成新的样子呢！我还和我的好朋友小明讨论过这个问题，我问他：“你觉得纯金属和合金凝固像什么呢？”小明说：“纯金属凝固就像一个人在安静地走路，一步一步很有规律；合金凝固就像一群人在跳舞，虽然有点乱，但是很有活力。

”哈哈，我觉得他说得好有意思呀！不过，它们也有一些不同的地方哦。

纯金属凝固后的结构比较简单、整齐，而合金凝固后的结构就比较复杂啦。

纯金属凝固知识点总结1. 凝固的基本原理在纯金属凝固的过程中，金属离子从液态状态转变为晶态状态，这一过程主要包括两个方面的变化：(1) 原子排列的变化。

在液态金属中，金属原子是无序排列的，而在凝固过程中，金属原子开始有序排列，形成不同的晶体结构。

(2) 基本结构的变化。

不同的金属具有不同的晶体结构，如立方晶体、六方晶体等，这种基本结构的变化是凝固过程中的重要特征。

在金属凝固的过程中，除了原子排列的变化和基本结构的变化外，还会同时涉及到晶体的生长、演变和凝固温度等因素的影响。

因此，要深入了解纯金属凝固的过程，需要综合考虑上述多个因素的作用。

2. 凝固过程中的晶体生长晶体生长是在凝固过程中最基本的现象之一。

在金属凝固的过程中，晶体生长是从液态金属中形成晶体的过程，其过程主要包括以下几个方面：(1) 传质与传热。

在晶体生长的过程中，溶质从液相向固相迁移，而热量也是从熔体向冷凝物质迁移的过程。

这种传质与传热是晶体生长的基础。

(2) 晶体核的形成。

在凝固过程中，晶体核的形成是晶体生长的关键。

晶体核的形成是通过原子或离子以一定的方式排列而形成的，这是晶体生长过程中的起始点。

(3) 晶体生长的机制。

晶体的生长可以通过表面扩散、体积扩散、界面扩散等不同方式进行。

这种不同的生长机制将直接影响晶体的形态和晶体结构。

(4) 晶体生长速率的控制因素。

晶体生长速率受到诸多因素的影响，如温度、凝固速率、溶质浓度等因素都将对晶体生长速率产生显著的影响。

综上所述，要理解纯金属凝固过程中的晶体生长过程，首先需要了解晶体核的形成、晶体生长的机制以及晶体生长速率的控制因素。

这将有助于深入理解凝固过程中的晶体生长现象。

3. 影响凝固过程的因素在金属凝固的过程中，有多种因素会对凝固过程产生影响。

主要包括以下几个方面：(1) 温度。

温度是影响金属凝固的最主要因素之一。

凝固温度的高低不仅会直接影响凝固过程的速率，也会对晶体结构的形成产生重要影响。

第5章 纯金属的凝固1、金属结晶的必要条件：过冷度-理论结晶温度与实际结晶温度的差；结构起伏-大小不一的近程有序排列的此起彼伏；能量起伏-温度不变时原子的平均能量一定，但原子的热振动能量高低起伏的现象；成分起伏-材料内微区中因原子的热运动引起瞬时偏离熔液的平均成分，出现此起彼伏的现象。

结晶过程：形核和长大过程交替重叠在一起进行2、过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。

从热力学看，没有过冷度结晶就没有趋动力。

根据T R k ∆∝1可知当过冷度T ∆=0时临界晶核半径R *为无穷大，临界形核功（21T G ∆∝∆）也为无穷大，无法形核，所以液态金属不能结晶。

晶体的长大也需要过冷度，所以液态金属结晶需要过冷度。

孕育期：过冷至实际结晶温度，晶核并未立即产生，结晶开始前的这段停留时间3、均匀形核和非均匀形核均匀形核：以液态金属本身具有的能够稳定存在的晶胚为结晶核心直接成核的过程。

非均匀形核：液态金属原子依附于固态杂质颗粒上形核的方式。

临界晶核半径：ΔG 达到最大值时的晶核半径r *=-2γ/ΔGv 物理意义：r<rc 时， ΔGs 占优势，故ΔG>0，晶核不能自动形成。

r>rc 时， ΔGv 占优势，故ΔG<0，晶核可以自动形成，并可以稳定生长。

临界形核功：ΔGv *=16πγ3/3ΔGv 3 形核率：在单位时间单位体积母相中形成的晶核数目。

受形核功因子和原子扩散机率因子控制。

4、正的温度梯度：靠近型壁处温度最低，凝固最早发生，越靠近熔液中心温度越高。

在凝固结晶前沿的过冷度随离界面距离的增加而减小。

纯金属结晶平面生长。

负的温度梯度：过冷度随离界面距离的增加而增加。

纯金属结晶树枝状生长。

5、光滑界面即小平面界面：液固两相截然分开，固相表面为基本完整的原子密排面，微观上看界面光滑，宏观上看由不同位向的小平面组成故呈折线状的界面。

粗糙界面即非小平面界面：固液两相间界面微观上看高低不平，存在很薄的过渡层，故从宏观上看界面反而平直，不出现曲折小平面的界面。

纯金属的凝固习题与答案1 说明下列基本概念凝固、结晶、过冷、过冷度、结构起伏、能量起伏、均匀形核、非均匀形核、临界晶核半径、临界晶核形核功、形核率、生长线速度、光滑界面、粗糙界面、动态过冷度、柱状晶、等轴晶、树枝状晶、单晶、非晶态、微晶、液晶。

2 当球状晶核在液相中形成时，系统自由能的变化为σππ23344r G r G V +∆=∆，(1)求临界晶核半径c r ；(2)证明V V c c G A G c ∆-==∆231σ(c V 为临界晶核体积)；(3)说明上式的物理意义。

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。

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5 分析在负温度梯度下，液态金属结晶出树枝晶的过程。

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7 实际生产中怎样控制铸件的晶粒大小试举例说明。

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。

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. 计算当压力增加到500×105Pa 时锡的熔点的变化，已知在105Pa 下,锡的熔点为505K ，熔化热7196J/mol ，摩尔质量为×10-3kg/mol ，固体锡的体积质量×103kg/m 3，熔化时的体积变化为+%。

2. 考虑在一个大气压下液态铝的凝固，对于不同程度的过冷度，即：ΔT=1，10，100和200℃，计算： (a)临界晶核尺寸；(b)半径为r*的团簇个数；(c)从液态转变到固态时，单位体积的自由能变化ΔGv ； (d)从液态转变到固态时，临界尺寸r*处的自由能的变化 ΔGv 。

铝的熔点T m =993K ，单位体积熔化热ΔH f =×109J/m 3，固液界面自由能γsc =93J/m 2，原子体积V 0=×10-29m 3。

纯金属与固溶体合金平衡凝固的异同纯金属和固溶体合金是凝固过程中常见的两种材料。

虽然它们都是由金属元素组成，但在凝固过程中存在一些异同。

本文将从凝固行为、晶体结构、性质等方面对纯金属和固溶体合金进行比较，以探讨它们的异同之处。

一、凝固行为纯金属在凝固过程中呈现出明显的凝固点，即在一定温度下由液态转变为固态。

凝固点是纯金属的特征性参数，可以通过实验测定得到。

而固溶体合金的凝固行为相对复杂，通常不存在明确的凝固点。

这是由于固溶体合金是由两种或多种金属元素组成的混合物，其成分和比例会影响凝固过程的温度范围和行为。

二、晶体结构纯金属的凝固过程中会形成紧密堆积的晶体结构，晶体中的金属原子排列有序，具有规则的晶胞结构。

这种晶体结构使得纯金属具有良好的塑性和导电性。

而固溶体合金的晶体结构则取决于其成分和比例。

不同的成分和比例会导致不同的晶体结构，如面心立方、体心立方等。

这种晶体结构的变化会直接影响固溶体合金的力学性能和化学性质。

三、性质纯金属具有良好的导电性、热传导性和塑性，而固溶体合金的性质则受到成分和比例的影响。

固溶体合金的导电性和热传导性可能会受到成分的改变而发生变化，而塑性则受到晶体结构和成分的共同影响。

此外，固溶体合金还可能具有一些特殊的性质，如形状记忆效应、超弹性等，这些性质的实现往往依赖于特定的成分和比例。

四、应用领域纯金属由于其良好的导电性和塑性，在电子、航空、汽车等领域有广泛应用。

而固溶体合金由于其丰富的性质和调控能力，在材料科学、能源领域等有重要的应用价值。

例如，镍基高温合金在航空发动机中具有优异的耐热性能；钛合金由于其良好的比强度和耐腐蚀性能，广泛应用于航空航天领域。

纯金属和固溶体合金在凝固行为、晶体结构、性质和应用领域等方面存在一些异同。

纯金属具有明确的凝固点和规则的晶体结构，其性质受固有的金属元素决定。

而固溶体合金则受到成分和比例的影响，其凝固行为相对复杂，晶体结构和性质的变化较为多样。

第三章纯金属的凝固本章主要内容:液态金属的结构；金属结晶过程：金属结晶的条件，过冷，热力学分析，结构条件晶核的形成：均匀形核：能量分析，临界晶核，形核功，形核率，非均匀形核：形核功，形核率晶体的长大：动态过冷度（晶体长大的条件），固液界面微观结构，晶体长大机制，晶体长大形态：温度梯度，平面长大，树枝状长大、结晶理论的应用实例：铸锭晶粒度的控制，单晶制备，定向凝固，非晶态金属一、填空仁在液态金属中进行均质形核时，需要结构起伏和_______ 能量起伏。

1. 金属凝固的必要条件是______________ 过冷度和能量起伏 _________________ 。

2. 细化铸锭晶粒的基本方法是：（1）—控制过冷度，（2）变质处理，（3）振动、搅拌等_______5、形成临界晶核时体积自由能的减小只能补偿新增表面能的____________ 2/3 ____ 。

6、液态金属均质形核时，体系自由能的变化包括（体积自由能）和（表面自由能）两部分，其中一表面 ____-2；九r = 自由能是形核的阻力，体积—自由能是形核的动力；临界晶核半径「K与过冷度厶T呈—反比_ L m.I T _关系，临界形核功△ G K等于—3（Lm也T）表面能的1/3—。

7动态过冷度是_________ 晶核长大时固液界面（前沿）的过冷度___。

8在工厂生产条件下，过冷度增大，则临界晶核半径—减小—，金属结晶冷却速度越快，N/G比值—越大_____________________ ，晶粒越纟旺_小。

9 制备单晶的基本原理是—保证一个晶核形成并长大一—，主要方法有_尖端成核法和—垂直提拉法。

10.获得非晶合金的基本方法是___________ 快速冷却 _____________ 。

11铸锭典型的三层组织是__________ 细晶粒区___________ ,—柱状晶区_______ , 等轴晶区_____ 。

12纯金属凝固时，其临界晶核半径的大小、晶粒大小主要决定于过冷度___________________ 。