胡赓祥《材料科学基础》第3版章节题库(单组元相图及纯晶体的凝固)【圣才出品】
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2．常见的非金属的液-固界面为______。 【答案】光滑界面 【解析】相界面结构分为粗糙界面和光滑界面两类，金属和某些低熔化熵的有机化合物， 其液一固界面为粗糙界面；多数无机化合物，以及亚金属铋、锑、镓、砷和半导体锗、硅等， 其液一固界面为光滑界面。
三、判断题 在热力学平衡条件下，二元凝聚系统最多可以 3 相平衡共存，它们是一个固相、一个 液相和一个气相。 【答案】错 【解析】它们是两个固相和一个液相。
四、简答题 1．什么叫临界晶核，它的物理意义是什么？ 答：根据自由能与晶胚半径的变化关系，可得半径 r＜rc 的晶胚不能成核；r＞rc 的晶胚 才有可能成核，而 r＝rc 的晶胚可能消失，也可能稳定长大，因此称半径为 rc 的晶胚为临界 晶核。 其物理意义：过冷液体中涌现出来的短程有序的原子团，当其尺寸 r≥rc 时，这样的原 子团便可能成为晶核而长大。
2．陶瓷材料中晶粒的大小与什么有关？工艺上如何控制晶粒尺寸（请列出三种途径）？ 答：陶瓷材料中晶粒的大小与物料的原始粒度、烧结温度和时间等因素有关。 控制晶粒尺寸方法：控制原始粒度均匀细小，控制烧结温度和时间，添加剂等。
3．试说明结晶温度较低的高分子的熔限较宽，反之较窄。
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a 点：固体 A1、液体和气体的三相平衡，T＝8.2℃，p＝1.013×104Pa。 b 点：固体 A1，A2 和液体的三相平衡，T＝40℃，p＝l.013×106Pa。 c 点：液体和气体二相平衡，T＝90℃，P＝1.013×105Pa。 （2）根据相变时的体积变化，由 dp/dT＝∆H/（T∆V）确定各线斜率及正负。 经过 b 点的 A1 和 A2 相界线：A1→A2，故∆H＞0，∆V＜0，故∆p/∆T＜0，斜率为负； A1 和液相 L 的相界线：A1→L，故∆H＞0，∆V＞0，故∆p/∆T＞0，斜率为正； L 和气相 g 的相界线：L→g，故∆H＞0，∆V＞0，故∆p/∆T＞0，斜率为正。
A．放热 B．吸热 C．不确定 【答案】B 【解析】从密度 A＞B＞C，B→A 需要升温，可认为该图为水的三相图，A 为水，B 为 冰，C 为水蒸气。B→A 即从冰融化为水，是吸热过程。
2．如果只考虑温度与压强的影响，在 A、B 二元体系中最多能有（Hale Waihona Puke BaiduA．3
）相共存。
B．4
C．5
【答案】B 【解析】热力学平衡条件下，若只考虑温度与压强的影响，系统的组分数、相数和自由 度数之间的关系为：φ+f=C+2。式中φ指在系统中共存相的数目；f 指自由度；C 指系统中 的组元数。当平衡时 f=0，对于二元体系 C 为 2，故相数最大为 4。
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任意温度 T 的不平衡条件下，则有：∆G＝∆H－T∆S≠0；若∆H 与∆S 不随温度而变化，将 上式代入上式得：∆G＝∆H－T∆H/T0＝∆H（T0－T）/T0＝∆H∆T/T0。可见，相变过程要自 发进行，必须有∆G＜0，则：∆H∆T/T0＜0。
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答：由于高分子在较低的温度下结晶时，分子链的活动能力差，形成的晶体较不完善， 而且完善的程度差别也较大，因此缺陷较多的晶体将在较低的温度下熔融，而缺陷较少的晶 体将在较高的温度下熔融，导致较宽的熔限。反之，高分子在较高温度下结晶时，分子链活 动能力较强，形成的结晶较完善，不同晶体完善程度的差异也较小，因此，熔限较窄。
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胡赓祥《材料科学基础》第 3 版章节题库 第 6 章 单组元相图及纯晶体的凝固
一、选择题 1．如果一元素有三种组态 A、B、C（密度 A＞B＞C），它的相图如图 6-1，则在升温 由 B 变成 A 时是（ ）。
图 6-1
图 6-5 6．为什么在成核一生成机理相变中，要有一点过冷或过热才能发生相变？什么情况下 需过冷，什么情况下需过热，各举一个例子。 答：由热力学可知，在等温、等压下有：∆G＝∆H－T∆S。在平衡条件下，∆G＝0，则 有：∆G＝∆H－T0∆S＝0⇒∆S＝∆H/T0。式中：T0 是相变的平衡温度；∆H 为相变热。若在
4．如图 6-2 所示，分别作出匀晶相图 T1、T2、T3、T4 的固相和液相的自由能-成分曲 线。
图 6-2 答：如图 6-3（a）、（b）、（c）、（d）所示。
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图 6-3 5．指出如图 6-4 所示相图是否有错误，若有请改正。
二、填空题
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1．晶体的凝固是通过______和______两个过程进行的。 【答案】形核；长大 【解析】晶体的凝固是通过形核与长大两个过程进行的，即固相核心的形成与晶核生长 至液相耗尽为止。形核方式可以分为均匀形核和非均匀（异质）形核两类。
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图 6-4 答：图 6-4（a）错误。相临相区相差数为 1，γ相外应有一圆环，如图 6-5（a）所示。 图 6-4（b）错误。包晶反应线应为水平线。 图 6-4（c）错误。两相区与单相区的交线应进入另一两相区内。 图 6-4（d）图正确。
（1）若相变过程放热（如凝聚、结晶等）∆H＜0。要使∆G＜0，必须有∆T＝T0－T＞ 0，即 T0＞T，这表明系统必须“过冷”。
（2）若相变过程吸热（如蒸发、熔融等）∆H＞0，要满足∆G＜0，则必须∆T＝T0－T ＜0，即 T0＜T，这表明系统要自发相变则必须“过热”。
7．根据下列条件建立单元系相图： （1）组元 A 在固态有两种结构 A1 和 A2，且密度 A2＞A1＞液体； （2）A1 转变到 A2 的温度随压力增加而降低； （3）A1 相在低温是稳定相； （4）固体在其本身的蒸气压 1333Pa（10mmHg）下的熔点是 8.2℃； （5）在 1.013×105Pa（1 个大气压）下沸点是 90℃； （6）A1，A2 和液体在 1.013×106Pa（10 个大气压）下及 40℃时三相共存（假设升 温相变∆H＜0）。 答：见图 6-6。 （1）首先根据已知条件作出各交点：
三、判断题 在热力学平衡条件下，二元凝聚系统最多可以 3 相平衡共存，它们是一个固相、一个 液相和一个气相。 【答案】错 【解析】它们是两个固相和一个液相。
四、简答题 1．什么叫临界晶核，它的物理意义是什么？ 答：根据自由能与晶胚半径的变化关系，可得半径 r＜rc 的晶胚不能成核；r＞rc 的晶胚 才有可能成核，而 r＝rc 的晶胚可能消失，也可能稳定长大，因此称半径为 rc 的晶胚为临界 晶核。 其物理意义：过冷液体中涌现出来的短程有序的原子团，当其尺寸 r≥rc 时，这样的原 子团便可能成为晶核而长大。
2．陶瓷材料中晶粒的大小与什么有关？工艺上如何控制晶粒尺寸（请列出三种途径）？ 答：陶瓷材料中晶粒的大小与物料的原始粒度、烧结温度和时间等因素有关。 控制晶粒尺寸方法：控制原始粒度均匀细小，控制烧结温度和时间，添加剂等。
3．试说明结晶温度较低的高分子的熔限较宽，反之较窄。
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a 点：固体 A1、液体和气体的三相平衡，T＝8.2℃，p＝1.013×104Pa。 b 点：固体 A1，A2 和液体的三相平衡，T＝40℃，p＝l.013×106Pa。 c 点：液体和气体二相平衡，T＝90℃，P＝1.013×105Pa。 （2）根据相变时的体积变化，由 dp/dT＝∆H/（T∆V）确定各线斜率及正负。 经过 b 点的 A1 和 A2 相界线：A1→A2，故∆H＞0，∆V＜0，故∆p/∆T＜0，斜率为负； A1 和液相 L 的相界线：A1→L，故∆H＞0，∆V＞0，故∆p/∆T＞0，斜率为正； L 和气相 g 的相界线：L→g，故∆H＞0，∆V＞0，故∆p/∆T＞0，斜率为正。
A．放热 B．吸热 C．不确定 【答案】B 【解析】从密度 A＞B＞C，B→A 需要升温，可认为该图为水的三相图，A 为水，B 为 冰，C 为水蒸气。B→A 即从冰融化为水，是吸热过程。
2．如果只考虑温度与压强的影响，在 A、B 二元体系中最多能有（Hale Waihona Puke BaiduA．3
）相共存。
B．4
C．5
【答案】B 【解析】热力学平衡条件下，若只考虑温度与压强的影响，系统的组分数、相数和自由 度数之间的关系为：φ+f=C+2。式中φ指在系统中共存相的数目；f 指自由度；C 指系统中 的组元数。当平衡时 f=0，对于二元体系 C 为 2，故相数最大为 4。
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任意温度 T 的不平衡条件下，则有：∆G＝∆H－T∆S≠0；若∆H 与∆S 不随温度而变化，将 上式代入上式得：∆G＝∆H－T∆H/T0＝∆H（T0－T）/T0＝∆H∆T/T0。可见，相变过程要自 发进行，必须有∆G＜0，则：∆H∆T/T0＜0。
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答：由于高分子在较低的温度下结晶时，分子链的活动能力差，形成的晶体较不完善， 而且完善的程度差别也较大，因此缺陷较多的晶体将在较低的温度下熔融，而缺陷较少的晶 体将在较高的温度下熔融，导致较宽的熔限。反之，高分子在较高温度下结晶时，分子链活 动能力较强，形成的结晶较完善，不同晶体完善程度的差异也较小，因此，熔限较窄。
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一、选择题 1．如果一元素有三种组态 A、B、C（密度 A＞B＞C），它的相图如图 6-1，则在升温 由 B 变成 A 时是（ ）。
图 6-1
图 6-5 6．为什么在成核一生成机理相变中，要有一点过冷或过热才能发生相变？什么情况下 需过冷，什么情况下需过热，各举一个例子。 答：由热力学可知，在等温、等压下有：∆G＝∆H－T∆S。在平衡条件下，∆G＝0，则 有：∆G＝∆H－T0∆S＝0⇒∆S＝∆H/T0。式中：T0 是相变的平衡温度；∆H 为相变热。若在
4．如图 6-2 所示，分别作出匀晶相图 T1、T2、T3、T4 的固相和液相的自由能-成分曲 线。
图 6-2 答：如图 6-3（a）、（b）、（c）、（d）所示。
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二、填空题
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1．晶体的凝固是通过______和______两个过程进行的。 【答案】形核；长大 【解析】晶体的凝固是通过形核与长大两个过程进行的，即固相核心的形成与晶核生长 至液相耗尽为止。形核方式可以分为均匀形核和非均匀（异质）形核两类。
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图 6-4 答：图 6-4（a）错误。相临相区相差数为 1，γ相外应有一圆环，如图 6-5（a）所示。 图 6-4（b）错误。包晶反应线应为水平线。 图 6-4（c）错误。两相区与单相区的交线应进入另一两相区内。 图 6-4（d）图正确。
（1）若相变过程放热（如凝聚、结晶等）∆H＜0。要使∆G＜0，必须有∆T＝T0－T＞ 0，即 T0＞T，这表明系统必须“过冷”。
（2）若相变过程吸热（如蒸发、熔融等）∆H＞0，要满足∆G＜0，则必须∆T＝T0－T ＜0，即 T0＜T，这表明系统要自发相变则必须“过热”。
7．根据下列条件建立单元系相图： （1）组元 A 在固态有两种结构 A1 和 A2，且密度 A2＞A1＞液体； （2）A1 转变到 A2 的温度随压力增加而降低； （3）A1 相在低温是稳定相； （4）固体在其本身的蒸气压 1333Pa（10mmHg）下的熔点是 8.2℃； （5）在 1.013×105Pa（1 个大气压）下沸点是 90℃； （6）A1，A2 和液体在 1.013×106Pa（10 个大气压）下及 40℃时三相共存（假设升 温相变∆H＜0）。 答：见图 6-6。 （1）首先根据已知条件作出各交点：