固态相变原理测验试题+答案
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固态相变原理测验试题+答案
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固态相变原理考试试题
一、(20 分) 1、试对固态相变的相变阻力进行分析 固态相变阻力包括界面能和应变能,这是由于发生相变时形成新界面,比容不同都需要消耗能量。
界面能 :是指形成单位面积的界面时,系统的赫姆霍茨自由能的变化值。与大小和化学键的数目、强度有关。
为表面张力,
为偏摩尔自由能, 为由于界面面积改变而引起的晶粒内部自由能变化 (1) 共格界面的化学键数目、强度没有发生大的变化,σ最小;半共格界面产生错配位错,化学键发生变化,σ次之;非共格界面化学键破坏最厉害,σ
最大. (2) 应变能 ① 错配度引起的应变能(共格应变能):共格界面由错配度引起的应变能最大,半共格界面次之,非共格界面最小。
② 比容差引起的应变能(体积应变能):和新相的形状有关,
,球状由于比容差引起的应变能最大,针状次之,片状最小。
2、分析晶体缺陷对固态相变中新相形核的作用
固相中存在各种晶体缺陷,如空位、位错、层错、晶界等,如果在晶体缺陷处形核,随着核的形成,缺陷将消失,缺陷的能量将给出一供形核需
要,使临界形核功下降,故缺陷促进形核。
(1) 空位:过饱和空位聚集,崩塌形成位错,能量释放而促进形核,空位有利于扩散,有利于形核。
(2) 位错:
①形成新相,位错线消失,会释放能量,促进形核
②位错线不消失,依附在界面上,变成半共格界面,减少应变能。
③位错线附近溶质原子易偏聚,形成浓度起伏,利于形核。
④位错是快速扩散的通道.
⑤位错分解为不全位错和层错,有利于形核。
Aaromon 总结:
刃型位错比螺型位错更利于形核;较大柏氏矢量的位错更容易形核;位错可缠绕,割阶处形核;单独位错比亚晶界上位错易于形核;位错影响形核,易在某些惯
习面上形成.
(3)晶界:晶界上易形核,减小晶界面积,降低形核界面能
二、(20 分) 已知调幅分解浓度波动方程为:
1、试分析发生调幅分解的条件
,其中:
只有当 R(λ)>0,振幅才能随时间的增长而增加,即发生调幅分解,要使 R(λ)>0,得 G”<0 且| G”|>2η2Y+8π2k/λ2 令 R(λ)=0 得 λc—临界波长,则 λ<λc 时,偏聚团间距小,梯度项 8π2k/λ2 很大,R(λ)>0,不能发生;λ>λc 时,随着波长增加,8π2k/λ2 下降,易满足| G”| >2η2Y+8π2k/λ2,可忽略梯度项,调幅分解能发生。
2、说明调幅分解的化学拐点和共格拐点,并画出化学拐点、共格拐点和平衡成分点在温度——成分坐标中的变化轨迹 化学拐点:当 G"=0 时.即为调幅分解的化学拐点; 共格拐点:当 G”+2η2Y=0 时为共格拐点,与化学拐点相比共格拐点的浓度范围变窄了,温度范围也降低了.
3、请说明调幅分解与形核长大型相变的区别
调幅分解与形核长大型相变的区别
调幅分解
成分
连续变化,最后达到平衡
相界面
开始无明显相界面,最后才变明显
组织形态 结构
两相大小分布规则,一般不是球状,组织均匀性好 成分不同,结构相同的两相
形核长大型变形 新相始终保持平衡成分,不随时间变化
始终都有明显的相界面 大小不一,分布漫乱,常呈球状,组织均匀性差
新相和母相在结构、成分均不同
三、(20 分) 1、阐明建立马氏体相变晶体学表象理论的实验基础和基本原理 (1)实验基础
① 在宏观范围内,惯习面是不变平面(不转变、不畸变); ② 在宏观范围内,马氏体中的形状变形是一个不变平面应变; ③ 惯习面位向有一定的分散度(指不同片、不同成分的马氏体); ④ 在微观范围内,马氏体的变形不均匀,内部结构不均匀,有亚结构存在(片状马氏体为孪晶,板条马氏体为位错).
(2)基本原理 在实验基础上,提出了马氏体晶体学表象理论,指出马氏体相变时所发生的整个宏观应变应是下面三种应变的综合:
① 发生点阵应变(Bain 应变),形成马氏体新相的点阵结构.但是 Bain 应变不存在不变平面,不变长度的矢量是在圆锥上,所以要进行点阵不变切变。 ② 简单切边,点阵不变非均匀切变,在马氏体内发生微区域变形,不改变点阵类型,只改变形状,通过滑移、孪生形成无畸变面. ③ 刚体转动,①②得到的无畸变的平面转回到原来的位置去,得到不畸变、不转动的平面。
用 W-R-L 理论来表示:P1=RPB,P1 为不变平面应变的形状变形,B 为 Bain 应变、用主轴应变来表示,R 为刚体转动、可以用矩阵 来表示,P 为简单应变。 2、阐明马氏体相变热力学的基本设想和表达式的意义
答:基本设想:马氏体相变先在奥氏体 中形成同成分的体心核胚α,然后体心核胚α再转变为马氏体 M。
式中:
所以马氏体相变自由能表达式为∆Gγ→M=∆Gγ→α+∆Gα→M
① ∆Gγ→α 表示奥氏体转变为马氏体的自由能差.∆Gγ→α=0,此时温度为 Ms 温度。
② ∆Gα→M 表示母相中形成同成分的体心核胚α时的自由能变化,∆Gα→M =0 定义为 T0 温度γ与α的平衡温度,∆Gα→M <0,为 T
协作形变能(周围的奥氏体产生形变的能量);膨胀应变能(由于比容变化而致);存储能(形成位错的应变能、形成孪晶的界面能);其他(表
面能、缺陷能、能量场的影响等).
⑴∆Gγ→α 的估算,徐祖耀计算:∆Gγ→α=(1—xc)∆G∆γ→α+ xc(9320—2.71T) ⑵∆Gα→M 的估算。 1. 切变能 1/2VmΦδs(Ms),Vm:M 的摩尔体积,Φ:切变角,δs(Ms):在 Ms 点 M 的屈服应力。 2. 协作形变能 1/2VγΦδs(Ms),Vγ:γ 的摩尔体积, 3. 膨胀应变能 1/2VMEδs(Ms),E:膨胀应变量, 4. 储存能位错储存能 Γs+孪晶界面能 Γt, 5. 其他表面能 Γs,应力场 f(s),磁场能 f(H),缺陷能 f(D),忽略 f(s),f(H), f(D),Vm= Vγ≈7.5cm3/mol,
∑Γ=Γd+Γt+Γs=217cal, ∆Gα→M= VMΦδs(Ms)+217,Φ=0。28,δs(Ms)= 13+280 xc+0.02(800-Ms) 得到∆Gα→M=277。9+588 xc-0.042 Ms
四、(20 分)