11.固液界面的微观结构
金属学与热处理课后习题答案第二章
第二章纯金属的结晶2-1 a）试证明均匀形核时，形成临界晶粒的△Gk与其体积V之间关系式为△Gk=V△Gv/2b）当非均匀形核形成球冠状晶核时，其△Gk与V之间的关系如何？答：2-2 如果临界晶核是边长为a的正方体，试求出△Gk和a之间的关系。
为什么形成立方体晶核的△Gk比球形晶核要大。
答：2-3 为什么金属结晶时一定要由过冷度？影响过冷度的因素是什么？固态金属熔化时是否会出现过热？为什么？答：金属结晶时需过冷的原因：如图所示，液态金属和固态金属的吉布斯自由能随温度的增高而降低，由于液态金属原子排列混乱程度比固态高，也就是熵值比固态高，所以液相自由能下降的比固态快。
当两线相交于Tm温度时，即Gs=Gl，表示固相和液相具有相同的稳定性，可以同时存在。
所以如果液态金属要结晶，必须在Tm温度以下某一温度Tn，才能使G s＜Gl，也就是在过冷的情况下才可自发地发生结晶。
把Tm-Tn的差值称为液态金属的过冷度影响过冷度的因素：金属材质不同，过冷度大小不同；金属纯度越高，则过冷度越大；当材质和纯度一定时，冷却速度越大，则过冷度越大，实际结晶温度越低。
固态金属熔化时是否会出现过热及原因：会。
原因：与液态金属结晶需要过冷的原因相似，只有在过热的情况下，Gl＜G s，固态金属才会发生自发地熔化。
2-4 试比较均匀形核和非均匀形核的异同点。
答：相同点：1、形核驱动力都是体积自由能的下降，形核阻力都是表面能的增加。
2、具有相同的临界形核半径。
3、所需形核功都等于所增加表面能的1/3。
不同点：1、非均匀形核的△Gk小于等于均匀形核的△Gk，随晶核与基体的润湿角的变化而变化。
2、非均匀形核所需要的临界过冷度小于等于均匀形核的临界过冷度。
3、两者对形核率的影响因素不同。
非均匀形核的形核率除了受过冷度和温度的影响，还受固态杂质结构、数量、形貌及其他一些物理因素的影响。
2-5 说明晶体生长形状与温度梯度的关系。
答：液相中的温度梯度分为：正温度梯度：指液相中的温度随至固液界面距离的增加而提高的温度分布情况。
2 CrystalGrowth-界面微观结构-2 修改后
c 过程：自台阶上的扭折位置将原子移到另一台阶的扭折 位置，破坏的键数为零（不需能量），无扭折产生.
一个扭折的形成能为 1。
在台阶上任一位置形成正、负扭折的相对几率为
＋ － ＝ 0 ＝exp(1 / kT ) 0
台阶上任一位置形成扭 折的总几率为
＝ ＋＋ －＝2 0 exp(1 / kT )
具有立方对 称性的界面 能极图
i：界面能
晶体的平衡形状 在界面能极图的能量曲面 上每一点作出垂直于该点 矢径的平面，这些平面所 包围的最小体积相似于晶 体的平衡形状。 • 晶体的平衡形状在几何 上相似于界面能极图中体 积为最小的内接多面体。
具有立方对称性 的界面能极图
• 多面体关于平衡形状的任何偏离，都会引起系统吉布斯自由 能的增加，因此存在使晶体恢复到平衡形状的相变驱动力
例：液体
γ(n) = γ = const
∵ 球体：A/V=min ∴液体的平衡形状是球体。
(2) 表面能极图 ——反应表面能与晶面取向关系的图 形 作法： 从原点O作出所有可能存在的· · · · · =n1 : n2 : n3 · · · · · · ·
2.2 晶体的平衡形状
一、表面能极图与晶体平衡形状的描述
1.表面能 晶体表面的离子，由于电价不饱和而具有较多的能 量——表面能。
另一角度：造成单位面积所损耗的功。
比表面能： 晶体表面单位面积的表面能。 •单位：N/m;J/m2 •表面能大小和多种因素有关：晶 体与环境相得性质、结构、成分、 温度、结晶学取向等。
图3.1.2 根据表面能极图求晶体的平衡形状
由界面能极图可以将界面分为：
奇异面：界面能极图中能量曲面上出现最小值的点 （尖点）。该点所对应的晶面称为奇异面。 奇异面是低指数面，也是密积面。 邻位面：奇异面邻近的晶面
见习铸造师之铸件形成理论思考题
铸件形成理论1.何谓热力学能障和动力学能障？如何克服？热力学能障是由被迫处于高自由能过渡状态下的界面原子所产生，它能直接影响到系统自由能的大小，界面自由能即属于这种情况，动力学能障是由金属原子穿越界面过程所引起的，它与驱动力的大小无关，而取决于界面内的结构和性质，激活自由能即属于这种情况。
液态金属在成分、温度、能量上是不均匀的，即存在成分、相结构、和能量三个起伏，也正是这三个起伏才能克服凝固过程中的热力学能障和动力学能障，使凝固过程不断的进行下去。
2、从原子尺度看，决定液固界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？3、纯金属的宏观长大方式有几种？什么因素决定纯金属的宏观长大方式？4、纯金属凝固时固液界面的结构分哪两类？为何又称为小平面界面与非小平面界面？5、傅里叶第二导热定律和菲克第二扩散定律的数理方程，并指出方程中个物理量的含义6、设状态图中液相线和固相线均为直线，证明溶质再分配系数为常数7、用一共晶型合金浇注水平细长圆棒试样，画出再平衡凝固时沿试棒长度方向溶质的在分配曲线图，表明各特征值，并建立溶质再分配过程的溶质分配规律8、Al-Cu相图的主要参数是C E=33%，CSM=5.65%Cu，TM=660℃，TE=548℃，用Al-1%Cu合金浇注一水平细长圆棒试样，使其从左到右单向凝固，并保持固液界面为平界面，当固相无Cu 扩散，液相中Cu充分混合时，求:（1）凝固10%时，固液界面的和。
（2）共晶体所占的比列（3）画出沿棒长度方向Cu的分布曲线图，标明各特征值8、将上题改为当固相无Cu的扩散，液相中Cu有扩散而达到稳定态凝固时，求:（1）固液界面的和（2）固液界面的温度（3）固液界面保持平界面的条件（cm2/s）（4）画出沿试棒长度方向Cu的分布曲线图，并标明各特征值9、什么是溶质再分配？溶质再分配对液态金属成型有何重要意义？10、何为成分过冷？形成成分过冷的临界条件是什么？11、为什么过冷度是液态金属凝固的驱动力？为什么动力学过冷度是金属晶体生长的驱动力？何为热过冷和成分过冷？如何来理解成分过冷的本质？12、影响成分过冷范围的因素有哪些？它对材质或成型产品（铸件）的质量有何影响？13、成分过冷的大小受哪些因素的影响？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么？14、根据成分过冷大小，单项合金凝固时界面的基本生长方式分那四种？何为内生生长，何为外生生长？15、试说明共晶合金的分类16、什么是共生共晶和离异共晶17、在普通工业条件下，为什么非共晶成分的合金往往能获得100%的共晶组织？用相图说明之。
固液界面结构
最低。大部分金属属此类；
凡属 ＞5的物质凝固时界 面为光滑面， 非常大时， ΔGA的两个最小值出现在 x→0或1处（晶体表面位置 已被占满）。有机物及无 机物属此类；
=2～5的物质，常为多种 方式的混合，Bi、Si、Sb等 属于此类。
界面结构与熔融熵
a
L m
kTm
( Sm R
)
熔融熵越小，越容易成为粗糙界面。 因此固-液微观界面究竟是粗糙面还是光滑面主要取决于 合金系统的热力学性质。
§2.3 固液界面结构
2学时
1
序
晶核形成的标志：
出现了固相和液相两个紧密相关的相 出现了固—液相界面
固—液相界面：
原子长程有序与长程无序的过渡区，厚度很小。 是一个区域，不是一个面。
固—液相界面结构的作用：
决定了原子继续附着与堆积的行为 决定了晶体长大后的形貌
2
序
固—液相界面的结构形式
微观粗糙界面（非小晶面nonfaceted） 微观光滑界面（小晶面faceted）
5
1.5
相 对 1.0 自 由 0.5 能 变 化0
-0.5 0
a=10.0
a=5.0
a=3.0
a=2.0
a=1.0
0.5
1.0
界面上原子所占位置分数
6
问：什么因素影响能量最低时 的原子沉积几率（界面类型）
熔化熵：式3-22的理解
注意到：熔化熵ΔSm=ΔHm/Tm，所以 ΔSm直接影响a值。
熔化熵如何影响界面类型？Sm越大，a越大， 能量最低情况越趋向小晶面
15
界面结构类型的判据
如何判断凝固界面的微观结构？
—— 这取决于晶体长大时的热力学条件。
第二章 纯金属的结晶(金属学与热处理崔忠圻课后答案)
金属学与热处理第二版（崔忠圻）答案第二章纯金属的结晶2-1 a）试证明均匀形核时，形成临界晶粒的△Gk与其体积V之间关系式为△Gk=V△Gv/2b）当非均匀形核形成球冠状晶核时，其△Gk与V之间的关系如何？答：2-2 如果临界晶核是边长为a的正方体，试求出△Gk和a之间的关系。
为什么形成立方体晶核的△Gk比球形晶核要大。
答：2-3 为什么金属结晶时一定要由过冷度？影响过冷度的因素是什么？固态金属熔化时是否会出现过热？为什么？答：金属结晶时需过冷的原因：如图所示，液态金属和固态金属的吉布斯自由能随温度的增高而降低，由于液态金属原子排列混乱程度比固态高，也就是熵值比固态高，所以液相自由能下降的比固态快。
当两线相交于Tm温度时，即Gs=Gl，表示固相和液相具有相同的稳定性，可以同时存在。
所以如果液态金属要结晶，必须在Tm温度以下某一温度Tn，才能使Gs＜Gl，也就是在过冷的情况下才可自发地发生结晶。
把Tm-Tn的差值称为液态金属的过冷度影响过冷度的因素：金属材质不同，过冷度大小不同；金属纯度越高，则过冷度越大；当材质和纯度一定时，冷却速度越大，则过冷度越大，实际结晶温度越低。
固态金属熔化时是否会出现过热及原因：会。
原因：与液态金属结晶需要过冷的原因相似，只有在过热的情况下，Gl＜Gs，固态金属才会发生自发地熔化。
2-4 试比较均匀形核和非均匀形核的异同点。
答：相同点：形核驱动力都是体积自由能的下降，形核阻力都是表面能的增加。
具有相同的临界形核半径。
所需形核功都等于所增加表面能的1/3。
不同点：非均匀形核的△Gk小于等于均匀形核的△Gk，随晶核与基体的润湿角的变化而变化。
非均匀形核所需要的临界过冷度小于等于均匀形核的临界过冷度。
两者对形核率的影响因素不同。
非均匀形核的形核率除了受过冷度和温度的影响，还受固态杂质结构、数量、形貌及其他一些物理因素的影响。
2-5 说明晶体生长形状与温度梯度的关系。
答：液相中的温度梯度分为：正温度梯度：指液相中的温度随至固液界面距离的增加而提高的温度分布情况。
铸造成型原理简答题
1、可以通过哪些途径研究液态的金属的结构答，间接，通过固液，固气转变后一些物理性能变化判断液态金属原子间结合状况，直接，通过液态金属的X射线或中子线结构分析研究。
2、怎样理解液态金属“进程有序远程无需”答。
液态金属中的原子排列在几个原子间距内，与固态原子排列基本一致，有规律，而距离远的原子排列不同与固态，无序。
这称为。
3、阐述实际液态金属结构，能量，结构及浓度三种起伏。
答。
实际金属含有大量的杂质，他们存在方式是不同。
能量起伏，表现为各个原子间的能量不同各个原子的尺寸不同，浓度起伏，表现为各个原子团成分不同，游动的原子团时聚时散此起彼伏形成结构起伏。
4、液态金属粘滞性本质，及影响因素答。
本质，是质点间（原子间）结合力的大小，影响因素：温度，熔点，杂质。
共晶合金粘度低。
5、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施。
答：1、金属性能方面，合金的成分，结晶潜热，金属的热物理性能，粘度，表面张力。
2、铸型性能方面，铸型的蓄热系数，铸型的温度，铸型中的气体，3、浇筑方面、浇注温度，充型压头，浇筑系统的结构4、铸件结构方面。
措施：1正确选择合金成分多少2、合理的熔炼工艺3、适当降低砂型中的水量和发起物质含量，增加砂型通气性。
6、某工厂的生产铝镁合金机翼（壁厚3mm，长1500mm）采用粘土砂型，常压下浇筑，常因浇筑不足而报废，怎样提高铸件的成品率。
答：可以采用小蓄热系数的铸型，采用预热，提高浇筑温度，加大充型压力，改变浇筑系统，提高金属液充型能力。
7、如何得到动态凝固曲线及如何利用动态凝固曲线分析铸件的性质答、先绘制出铸件的温度场，然后给出合金液相线跟固相线温度，...8、如何理解凝固区域的结构中的“补缩边界”、傾出边界答铸件在凝固的过程中除纯金属和共晶成分的合金外，在断面上一般分为3个区域，即固相区，凝固区，液相区。
用傾出发做实验时，晶体能够随液态金属一起被傾出，因此液固部分和固液部分的边界叫傾出边界。
固液部分靠近固体的部分固相占绝大部分，已经连接为牢固的晶体，靠近傾出边界的那部分液态占大部分，这两部分中间形成小的熔池，体积收缩，得不到液态的补充叫补缩边界。
封装复习题
封装复习资料一、名词解释：金属晶体非晶体位错金属键晶格晶胞晶向晶向指数晶面晶面指数同素异晶转变单晶体多晶体非晶态金属晶界相界亚晶界固溶体置换固溶体间隙固溶体置换原子间隙原子间隙化合物间隙相凝固结晶临界晶核半径临界形核功临界过冷度成分过冷光滑界面粗糙界面形核率结构起伏能量起伏过冷度成分起伏均勺形核非均勺形核变质处理相相图金属化合物加工硬化白口铸铁奥氏体珠光体铁素体滑移孪生临界分切应力变形织构制耳回复再结晶二次再结晶扩散低温莱氏体二次渗碳体晶体缺陷伪共晶离异共晶枝晶偏析扩散激活能二、填空题：1.三种典型的金属晶体结构为，，。
2.设从坐标原点所引一有向直线上有一点的坐标x、y、z分别为3、2、-1，则该直线所代表的晶向的晶向指数为。
3.设有一晶面和坐标轴x、y、z的截距分别为5、3、2，则该晶面的晶面指数为。
4.面心立方晶格中原子排列最密的晶面为晶面，最密的晶向为晶向。
5.体心立方晶格中原子排列最密的晶面为晶面，最密的晶向为晶向。
6.金属结晶凝固时，晶体长大的机制主要有，，三种。
7.铸锭宏观组织的三晶区指，，。
8.液态金属结晶时，要通过形核及晶核长大两个过程，在过冷条件下，形核的推动力是，阻力是。
9.金属原子排列的不完整性叫，分为，，三种。
10.第二相粒子强化的位错机制主要有，两种。
11.合金的结晶需要满足，，的条件。
12.固液界面的微观结构可分为，两大类。
13.金属材料的塑性变形主要有，两种形式。
14.面心立方金属的滑移面为晶面，滑移方向为晶向，滑移系有个。
15.体心立方金属的滑移面为晶面，滑移方向为晶向，滑移系有个。
16.原子在固态金属中扩散需满足的条件是，，，。
17.根据扩散过程中是否出现新相可分为，两种。
18.铁碳合金按有无共晶转变可分为，两大类。
19.己知面心立方晶格的晶格常数为a，则其原子半径为，原子数为，配位数为，致密度为。
20.因为位错线与柏氏矢量所构成的平面就是滑移面，刃型位错的位错线与柏氏矢量，所以刃型位错的滑移面有个，螺型位错的位错线与柏氏矢量，所以螺型位错的滑移面有个。
材料科学基础复习题及答案(1)
一、填空题1.铸锭的宏观组织是由表层细晶区、柱状晶区、中心等轴晶区三个区组成。
2. 每个面心立方晶胞中的原子数为 4 ，其配位数为12 。
3a, 配3.晶格常数为a的体心立方晶胞, 其原子数为 2 , 原子半径为4/位数为 8 ，致密度为 0.68 。
4. 根据参数相互关系，可将全部点阵归属于7 种晶系，14 种布拉维点阵。
5. 刃型位错的柏氏矢量与位错线互相垂直 , 螺型位错的柏氏矢量与位错线互相平行。
螺型位错的位错线平行于滑移方向，位错线的运动方向垂直于位错线。
6. 扩散的驱动力是__化学势梯度____。
分别以D L、D S和D B表示晶内、表面和界面的扩散系数，则三者大小的一般规律是D L<D B<D S 。
7. 在过冷液体中，晶胚尺寸小于临界尺寸时不能自发长大。
8. 均匀形核既需要结构起伏，又需要能量起伏。
9. 蠕变是指在某温度下恒定应力下所发生的缓慢而连续的塑性流变现象。
10. 再结晶形核机制包括晶界弓出和亚晶形核两种，其中亚晶形核机制又分为亚晶合并和亚晶迁移两种。
11. 纯金属结晶时，固液界面按微观结构分为光滑界面和粗糙界面。
12.纯金属的实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度，这种现象称为过冷，理论结晶温度与实际开始结晶温度之差称为过冷度。
13．合金中的基本相结构，有固溶体和金属化合物两类，其中前者具有较高的综合机械性能，适宜做基体相；后者具有较高的熔点和硬度，适宜做强化相。
14. 刃型位错的割阶部分仍为刃型位错，扭折部分则为螺型位错；螺形位错中的扭折和割阶部分均属于刃型位错。
15. 再结晶的驱动力是变形金属经回复后未被释放的储存能。
16. 为了使材料获得超塑性，通常应满足三个条件：具有等轴细小两相组织、在（0.5~0.65）Tm 温度范围内和在10-2~10-4 s-1 应变率范围内进行。
17. 非稳态扩散可用菲克第一定律结合质量守恒条件推导出的菲克第二定律描述。
18. 间隙相和间隙化合物主要受组元的 原子尺寸 因素控制。
材料科学基础试题及答案
第一章 原子排列与晶体结构1. fcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,晶胞中原子数为 ，把原子视为刚性球时，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；bcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；hcp 结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,，晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 。
2. Al 的点阵常数为0.4049nm ，其结构原子体积是 ，每个晶胞中八面体间隙数为 ，四面体间隙数为 。
3. 纯铁冷却时在912ε 发生同素异晶转变是从 结构转变为 结构，配位数 ，致密度降低 ，晶体体积 ，原子半径发生 。
4. 在面心立方晶胞中画出）（211晶面和]211[晶向，指出﹤110﹥中位于（111）平面上的方向。
在hcp 晶胞的（0001）面上标出）（0121晶面和]0121[晶向。
5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。
6 在铅的（100）平面上，1mm 2有多少原子？已知铅为fcc 面心立方结构，其原子半径R=0.175×10-6mm 。
第二章 合金相结构一、 填空1） 随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度 ，塑性 ，导电性 ，形成间隙固溶体时，固溶体的点阵常数 。
2） 影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是（1） ；（2） ；（3） ；（4） 和环境因素。
3） 置换式固溶体的不均匀性主要表现为 和 。
4） 按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分，固溶体可分为 和 。
5） 无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是强度和硬度 ，塑性 ，导电性 。
6）间隙固溶体是 ，间隙化合物是 。
二、 问答1、 分析氢，氮，碳，硼在α-Fe 和γ-Fe 中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固溶度大小。
单元系-题库(部分答案)
判断题1) 相图表示的是体系的热力学平衡状态。
√ 2) 晶胚的临界半径r k 随着△T 的增大而减小。
× 3) 液态金属的结构特点是短程有序，长程无序。
( )4) 液态金属只要过冷到其熔点以下就会发生结晶。
[×]5) 非均匀形核时，临界晶核（曲率）半径决定了晶核的形状和体积大小[×]6) 无论固-液界面微观结构呈粗糙型还是光滑型，晶体生长时液相原子都是一个个地沿着固相面的垂直方向连接上去的。
[×]7) 无论温度如何分布，纯金属都是以树枝状方式生长。
[×]8) 纯晶体结晶时的过冷度是指在冷却曲线上出现平台的温度与熔点之差。
[×] 9) 在任何温度下，液相中出现的最大结构起伏都成为晶核。
[×]10) 所谓临界晶核，就是体系自由能的减少完全抵偿表面自由能的增加时的晶胚大小。
[×] 11) 在液态金属中，凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能成核，但是只要由足够的能量起伏提供形核功，还是可以成核的。
[×]12) 非均匀形核总是比均与均匀形核容易，因为非均匀形核一般是以外加固体杂质作为现成晶核，不需要形核功。
[×]13) 非均匀形核，当接触角θ=0°时，非均匀形核的形核功最大。
[×]14) 固-液界面的微观结构可根据杰克逊因子α来判断：当α≤2时，固-液界面为光滑界面；当α≥5时，固-液界面为粗糙界面。
[×] 15) 结晶的热力学条件是：0V G V G S σ∆=-∆+<。
[×]16) 不论晶核大小，形成晶核时都需要形核功。
[×]17) 纯金属结晶时若呈垂直方式生长，其界面时为光滑，时而粗糙，交替变化。
[×]18) 从宏观上观察，若液-固界面时平直的称为光滑界面；若液-固界面时由若干小平面组成，呈锯齿形的称为粗糙界面。
[×]19) 一般金属结晶时，形核率随着过冷度的增加而增加，超过某一极大值后，出现反的变化。
铸件形成理论复习题
镇江丹徒职教中心金属液态形成原理复习题第1章液态金属的结构和性质一、判断题（正确的在括号中画√，错误的画×）1、只要金属流动性好，铸件就不会产生浇不足缺陷。
（×）2、金属一熔化，原子间的结合就全部破坏。
（×）3、温度起伏是指铸件各处温度的差异。
（×）4、钠可以很好地吸附于硅的表面，所以说“钠是表面活性元素”。
（×）二、选择题1、影响液态金属粘度的因素主要有温度、化学成分和杂质。
2、在弯曲液面上作用有附加压力，当液面为球形时，该压力可表示为p=2σ/r。
3、温度接近熔点的金属液，其结构类似于固态的结构。
4、液态金属的平均间距比固态稍大 ,其配位数比固态要小。
5、纯金属的表面张力一般随温度的升高而减小，而灰铸铁的表面张力则相反。
6、使用黑烟涂料是为了调整铸型的热阻，从而改变液态金属流动时间以提高充填能力。
三、问答题1、液态金属的表面张力有哪些影响因素？试总结它们的规律。
2、总结温度、原子间距（或体积）、合金元素或微量元素对液体粘度 高低的影响。
第2章液态金属的流动性与充型能力一、判断题1、金属液本身的流动能力称为充型能力。
（×）2、金属液的充型能力仅与金属液的化学成分、温度、杂质含量及物理性质有关。
（×）二、问答题1、影响液态金属充型能力的因素有哪些？如何提高液态金属的充型能力？2、某飞机制造厂的一牌号Al-Mg合金（成分确定）机翼因铸造常出现“浇不足”缺陷而报废，如果你是该厂工程师，请问可采取哪些工艺措施来提高成品率？3、铸型蓄热系数（b）较小时，在其它条件不便的情况下，定性指出对下列项目的影响：2①充型能力②铸件形成机械粘砂③使铸件的断面温度梯度④使铸件凝固方式⑤铸件形成缩松⑥铸件的热应力第3章铸件的凝固一、判断题1、安放冒口一般应遵循顺序凝固原则。
（√）2、铸件的凝固方式主要取决于合金本身特性，与其它条件则影响不大。
（×）（温度梯度）3、金属凝固温度低，铸型蓄热系数也小时，铸件内温度梯度也小。
《金属学和热处理》崔忠圻[第二版]课后答案解析[完整版]
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第一章金属的晶体结构1-1 作图表示出立方晶系（1 2 3）、（0 -1 -2）、（4 2 1）等晶面和[-1 0 2]、[-2 1 1]、[3 4 6]等晶向。
答：1-2 立方晶系的{1 1 1}晶面构成一个八面体，试作图画出该八面体，并注明各晶面的晶面指数。
答：{1 1 1}晶面共包括（1 1 1）、（-1 1 1）、（1 -1 1）、（1 1 -1）四个晶面，在一个立方晶系中画出上述四个晶面。
1-3 某晶体的原子位于正方晶格的节点上，其晶格常数为a=b≠c,c=2/3a。
今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的结局分别为5个原子间距、2个原子间距和3个原子间距，求该晶面的晶面指数。
答：由题述可得：X方向的截距为5a，Y方向的截距为2a，Z方向截距为3c=3×2a/3=2a。
取截距的倒数，分别为1/5a，1/2a，1/2a化为最小简单整数分别为2，5，5故该晶面的晶面指数为（2 5 5）1-4 体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。
答：H==a/2（1 0 0）==√2a/2H（1 1 0）==√3a/6H（1 1 1）面间距最大的晶面为（1 1 0）1-5 面心立方晶格的晶格常数为a，试求出（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。
答：==a/2H（1 0 0）H==√2a/4（1 1 0）==√3a/3H（1 1 1）面间距最大的晶面为（1 1 1）注意：体心立方晶格和面心立方晶格晶面间距的计算方法是：1、体心立方晶格晶面间距：当指数和为奇数是H=，当指数和为偶数时H=2、面心立方晶格晶面间距：当指数不全为奇数是H=，当指数全为奇数是H=。
1-6 试从面心立方晶格中绘出体心正方晶胞，并求出它的晶格常数。
答：1-7 证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=1.633。
金属热处理
1.金属是具有良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽的物质。
严格的定义是：金属是具有正的电阻温度系数的物质。
2.3种典型的金属晶体结构分别是（1）体心立方结构：r=[3/4a,原子个数：2，配位数：8。
（2）面心立方结构：r=[2/4a，原子个数：4，配位数：12.（3）密排六方结构：r=a/2,原子个数：6，配位数：12.3.在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指方向称为晶向。
4.晶体缺陷的几何形态特征：（1）点缺陷：空位、间隙原子、置换原子（2）线缺陷：刃型位错、螺型位错、柏氏矢量、位错密度（3）面缺陷：晶体表面、晶界。
5.金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于凝固后的固态金属通常是指晶体，所以这一转变过程称之为结晶。
6.过冷度：金属的理论结晶温度Tm与实际温度Tn之差7.无论非金属还是金属在结晶时，均遵循相同的规律即：结晶过程是形核与长大的过程。
8.液相金属和固相金属的自由能之差就是促进这种转变的驱动力9.在过冷液体中形成固态晶核时的形核方式有：均匀形核和非均匀形核。
10.影响非均匀形核的形核率有1、过冷度2、固体杂质结构3、固体杂质形貌4、过热度5、其他因素。
11.固液界面的微观结构分为光滑界面和粗糙界面。
12.固液界面前沿液体中的温度梯度可分为正温度梯度和负温度梯度13.细化晶粒的方法：控制过冷度、变质处理、振动搅动。
14.铸锭或铸件中常见的缺陷有缩孔、气孔、夹杂物。
15.金属化合物和固溶体的区别？固溶体包括置换固溶体和间隙固溶体，都是在原有的晶体结构上的改变而形成的；而金属化合物是一种晶体，有自己的晶体结构，并不是外来元素的加入而引起的晶体结构的改变而形成的。
16. 组元、相、组织结构、合金之间的联系和区别？组成合金最基本的独立的物质叫做组元。
由两个组元组成的合金称为二元合金。
相是指合金中结构相同成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分在金属与合金中，可能形成不同的相，从而形成不同的组织，相是组织的基本组成部分，同样的相也会出现不同的组织16.固溶体的分类：（1）按溶质原子在晶格中所占位置分类分为置换固溶体和间隙固溶体（2）按固溶度分类分为有限固溶体和无限固溶体（3）按溶质原子与溶剂原子相对分布分类分为无序固溶体和有序固溶体。
4单元系 题库(部分答案)
相图表示的是体系的热力学平衡状态。√
晶胚的临界半径 r k 随着△T 的增大而减小。× 液态金属的结构特点是短程有序，长程无序。 ( )
4) 液态金属只要过冷到其熔点以下就会发生结晶。[×] 5) 非均匀形核时，临界晶核（曲率）半径决定了晶核的形状和体积大小[×] 6) 无论固-液界面微观结构呈粗糙型还是光滑型，晶体生长时液相原子都是一个个地沿着固相面的垂直方向 连接上去的。[×] 7) 无论温度如何分布，纯金属都是以树枝状方式生长。[×] 8) 纯晶体结晶时的过冷度是指在冷却曲线上出现平台的温度与熔点之差。[×] 9) 在任何温度下，液相中出现的最大结构起伏都成为晶核。[×] 10) 所谓临界晶核，就是体系自由能的减少完全抵偿表面自由能的增加时的晶胚大小。[×] 11) 在液态金属中， 凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能成核， 但是只要由足够的能量起伏提供形核功， 还是可以成核的。[×] 12) 非均匀形核总是比均与均匀形核容易， 因为非均匀形核一般是以外加固体杂质作为现成晶核， 不需要形核 功。[×] 13) 非均匀形核，当接触角θ=0°时，非均匀形核的形核功最大。[×] 14) 固-液界面的微观结构可根据杰克逊因子α来判断：当α≤2 时，固-液界面为光滑界面；当α≥5 时，固液界面为粗糙界面。[×] 15) 结晶的热力学条件是： G V GV S 0 。[×] 16) 不论晶核大小，形成晶核时都需要形核功。[×] 17) 纯金属结晶时若呈垂直方式生长，其界面时为光滑，时而粗糙，交替变化。[×] 18) 从宏观上观察，若液-固界面时平直的称为光滑界面；若液-固界面时由若干小平面组成，呈锯齿形的称为 粗糙界面。[×] 19) 一般金属结晶时，形核率随着过冷度的增加而增加，超过某一极大值后，出现反的变化。[×]
纯金属的凝固答案
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___________________ 。
材料科学与工程基础习题答案 (1)
第一章 原子排列与晶体结构1.[110]， (111)， ABCABC…， 0.74 ， 12 , 4 ， a r 42=； [111]， (110) , 0.68 , 8 , 2 ， a r 43= ；]0211[， (0001) ， ABAB ， 0.74 ， 12 ， 6 ， 2a r =。
2. 0.01659nm 3 ， 4 ， 8 。
3. FCC ， BCC ，减少 ，降低 ，膨胀 ，收缩 。
4. 解答：见图1－15.解答：设所决定的晶面为（hkl ），晶面指数与面上的直线[uvw]之间有hu+kv+lw=0，故有： h+k-l=0,2h-l=0。
可以求得（hkl ）＝（112）。
6 解答：Pb 为fcc 结构，原子半径R 与点阵常数a 的关系为ar 42=，故可求得a ＝0.4949×10-6mm 。
则（100）平面的面积S ＝a 2＝0.244926011×0-12mm 2，每个（100）面上的原子个数为2。
所以1 mm 2上的原子个数s n 1=＝4.08×1012。
第二章合金相结构一、 填空1） 提高，降低，变差，变大。
2） （1）晶体结构；（2）元素之间电负性差；（3）电子浓度 ；（4）元素之间尺寸差别 3） 存在溶质原子偏聚 和短程有序 。
4） 置换固溶体 和间隙固溶体 。
5） 提高 ，降低 ，降低 。
6） 溶质原子溶入点阵原子溶入溶剂点阵间隙中形成的固溶体，非金属原子与金属原子半径的比值大于0.59时形成的复杂结构的化合物。
二、 问答1、 解答： α-Fe 为bcc 结构，致密度虽然较小，但是它的间隙数目多且分散，间隙半径很小，四面体间隙半径为0.291Ra ，即R ＝0.0361nm ，八面体间隙半径为0.154Ra ，即R ＝0.0191nm 。
氢，氮，碳，硼由于与α-Fe 的尺寸差别较大，在α-Fe 中形成间隙固溶体，固溶度很小。
11.固液界面的微观结构
一，固液界面的微观结构固液界面微观结构分类：根据用显微镜观察生长着的晶体的界面状况，可以将其微观结构分为两类，即光滑界面和粗糙界面()一光滑界面：1.从显微尺度来看，光滑界面呈参差不齐的锯齿状，界面两侧的固液两相是截然分开的，在界面的上部，所有的原子都处于液体状态，在界面的下部，所有的原子都处于固体状态，即所有的原子都位于结晶相晶体结构所规定的位置上。
2.这种界面通常为固相的密排晶面。
由于这种界面呈曲折的锯齿状，所以又称为小平面界面。
3.当从原子尺度观察时，这种界面是光滑平整的。
()一光滑界面图2.19：1.原子尺度看：a)界面光滑平整，b)固液两相截然分开，c)界面上固相原子位于固相晶体结构所规定的位置上，d)形成平整的原子平面2.在光学显微镜下，光滑界面由曲折的若干小平面组成，所以又称为()二粗糙界面：1.从原子尺度观察时，这种界面高低不平，并存在几个原子间距厚度的过渡层。
在过渡层中，液相和固相的原子犬牙交错的分布着2. 由于过渡层很薄，在光学显微镜下，这类界面是平直的，又称为非小平面界面除了少数透明的有机物之外，大多数材料包括金属材料是不透明的，因此不能依赖直接观察的方法确定界面的性质那么如何判断材料界面的微观结构类型呢，杰克逊对此进行了深入的研究 当晶体与液体处于平衡状态时的固液界面：当晶体与液体处于平衡状态时，从宏观上看，其界面是静止的。
但是从原子尺度看，晶体与液体的界面不是静止的，每一时刻都有大量的固相原子离开界面进入液相，同时又有大量液相原子进入固相晶格上的原子位置，与固相链接起来，只不过两者的速率相等。
光滑界面和粗糙界面的定义：1. 设界面上可能具有的原子位置数为N ，其中A N 个位置为固相原子所占据，那么界面上被固相原子占据位置的比例为NN x A =，被液相原子占据的位置比例则为x -1。
2. 如果界面上有近50%的位置为固相原子所占据，即%50≈x ，这样的界面即为粗糙界面。
11.2 固体 液体的微观结构
。
3.湿度、饱和汽压与温度、体积的关系 空气的绝对湿度是指空气中所含水蒸气的压强,它与温度、体积无关 。水的饱和汽压与温度有关,与体积无关。空气的绝对湿度要小于水 的饱和汽压。因为相对湿度= 度 下 的 饱 和 汽 压 ,而空气的绝对湿度 同温 与水的饱和汽压都与体积无关,故相对湿度与体积无关;因饱和汽压 与温度有关,故相对湿度与温度有关;在绝对湿度P1不变而降低温度 时,由于水的饱和汽压减小会使空气的相对湿度增大。居室的相对湿 度以40%~60%较适宜。
3.有无确定的熔点是区分晶体和非晶体比较准确的方法
4.液晶具有液体的流动性又具有晶体的光学各向异性 5.一定质量的100 ℃的水蒸气液化成100 ℃的水时,分子平均动能不 变,内能也不变 6.一定质量的理想气体,保持气体的温度不变,体积越大,压强越小
答案:1.错误。气体压强是由气体分子频繁碰撞器壁产生的。
3.湿度 (1)定义:空气的潮湿程度。 (2)描述湿度的物理量 ①绝对湿度:空气中所含 的压强。 与同一温度下
②相对湿度:在某一温度下,空气中水蒸气的 水的饱和汽压之比,称为空气的相对湿度,即 相对湿度=
水 蒸 气 的 实 际 压 强 p1
同 温 下 水 的 饱 和 汽 压 ps
。
答案： (2)饱和蒸汽
材料成型原理问答及名词解释【范本模板】
1、凝固原则分为同时凝固和顺序凝固两种。
2、定向凝固技术中的最重要的两个工艺参数分别为温度梯度和抽拉速度。
3、从原子尺度看，合金固-液界面的微观结构可分为两大类,即粗糙界面和光滑界面。
4、铸件中的气孔分为析出性和反应性气孔。
5、通过激冷法和深过冷两种途径可实现合金的快速凝固。
6、铸件内部柱状晶区的范围取决于稳定凝固壳层和内部等轴晶区的出现。
1．液态金属本身的流动能力主要由液态金属的成分、温度和杂质含量等决定。
2．液态金属或合金凝固的驱动力由过冷度提供。
3．晶体的宏观生长方式取决于固液界面前沿液相中的温度梯度，当温度梯度为正时，晶体的宏观生长方式为平面长大方式，当温度梯度为负时，晶体的宏观生长方式为树枝晶长大方式。
5．液态金属凝固过程中的液体流动主要包括自然对流和强迫对流.6．液态金属凝固时由热扩散引起的过冷称为热过冷.7．铸件宏观凝固组织一般包括表层细晶粒区、中间柱状晶区和内部等轴晶区三个不同形态的晶区。
8．内应力按其产生的原因可分为热应力、相变应力和机械应力三种。
9．铸造金属或合金从浇铸温度冷却到室温一般要经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个收缩阶段.10．铸件中的成分偏析按范围大小可分为微观偏析和宏观偏析二大类.2．晶体结晶时,有时会以枝晶生长方式进行,此时固液界面前液体中的温度梯度为负。
3．灰铸铁凝固时，其收缩量远小于白口铁或钢，其原因在于碳的石墨化膨胀作用。
4。
孕育和变质处理是控制金属（或合金）铸态组织的主要方法，两者的主要区别在于孕育主要影响生核过程，而变质则主要改变晶体生长方式。
5．液态金属成形过程中在固相线附近产生的裂纹称为热裂纹，而在室温附近产生的裂纹称为冷裂纹。
9．铸件凝固方式有逐层凝固、体积凝固、中间凝固，其中逐层凝固方式容易产生集中性缩孔，一般采用同时凝固原则可以消除；体积凝固方式易产生分散性缩松,采用顺序凝固原则可以消除此缺陷。
10．金属塑性加工就是在外力作用下使金属产生塑性变形加工方法。
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一，固液界面的微观结构
固液界面微观结构分类：
根据用显微镜观察生长着的晶体的界面状况，可以将其微观结构分为两类，即光滑界面和粗糙界面
()一光滑界面：
1.从显微尺度来看，光滑界面呈参差不齐的锯齿状，界面两侧的固液两相是截
然分开的，在界面的上部，所有的原子都处于液体状态，在界面的下部，所有的原子都处于固体状态，即所有的原子都位于结晶相晶体结构所规定的位置上。
2.这种界面通常为固相的密排晶面。
由于这种界面呈曲折的锯齿状，所以又称
为小平面界面。
3.当从原子尺度观察时，这种界面是光滑平整的。
()一光滑界面图2.19：
1.原子尺度看：
a)界面光滑平整，
b)固液两相截然分开，
c)界面上固相原子位于固相晶体结构所规定的位置上，
d)形成平整的原子平面
2.在光学显微镜下，光滑界面由曲折的若干小平面组成，所以又称为
()二粗糙界面：
1.从原子尺度观察时，这种界面高低不平，并存在几个原子间距厚度的过渡层。
在过渡层中，液相和固相的原子犬牙交错的分布着
2. 由于过渡层很薄，在光学显微镜下，这类界面是平直的，又称为非小平面界
面
除了少数透明的有机物之外，大多数材料包括金属材料是不透明的，因此不能依赖直接观察的方法确定界面的性质
那么如何判断材料界面的微观结构类型呢，杰克逊对此进行了深入的研究 当晶体与液体处于平衡状态时的固液界面：
当晶体与液体处于平衡状态时，从宏观上看，其界面是静止的。
但是从原子尺度看，晶体与液体的界面不是静止的，每一时刻都有大量的固相原子离开界面进入液相，同时又有大量液相原子进入固相晶格上的原子位置，与固相链接起来，只不过两者的速率相等。
光滑界面和粗糙界面的定义：
1. 设界面上可能具有的原子位置数为N ，其中A N 个位置为固相原子所占据，那么界面上被固相原子占据位置的比例为N
N x A =
，被液相原子占据的位置比例则为x -1。
2. 如果界面上有近50%的位置为固相原子所占据，即%50≈x ，这样的界面即
为粗糙界面。
3. 如果界面上有近0%或100%的位置为晶体原子所占据，则这样的界面称为光
滑界面
界面的平衡结构应当是界面能最低的结构
当在光滑界面上任意添加原子时其界面自由能的变化s G ∆可以用下式表示： ()()()x x x x x x NkT G m s --++-=∆1ln 1ln 1α式中，k 为波尔茨曼常数，m T 是熔点，α是杰克逊因子
取不同的α值作m
s NkT G ∆与x 的关系线2.19 1. 当2≤α时，在5.0=x 处，界面能处于最小值，即相当于相界面上的一半位
置为固相原子所占据，这样的界面即对应于粗糙界面；
2. 当5≥α时，在x 靠近0处或1处，界面能最小，即相当于界而上的原了位置有
极少量或极大量为固相原子所占据，这样的界面正是对应于光滑界面。
各种材料的杰克逊因子和界面性质：
1. 纯金属与合金和某些有机物的杰克逊因子2≤α，其固液界面为粗糙型界面，
2. 许多有机化合物的5≥α，其固液界面为光滑型界面
3. 少数材料如Si Ge Sb Bi ,,,和氢化物晶体等的5~2=α，处于中间状态，情况
比较复杂，其固液界面呈混合型，且与界面的取向有关。