第9章习题及答案_无机材料科学基础

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1、第九章 相变过程    9-1名词解释：一级相变 二级相变 扩散型相变 无扩散型相变 扩散控制的长大 界面控制的长大    9-2什么叫相变？按照相变机理来划分，可分为哪些相变?    9-3分析发生固态相变时组分及过冷度变化相变驱动力的影响。    9-4马氏体相变具有什么特征？它和成核－生成相变有何差别?    9-5试分析应变能及表面能对固态相变热力学、动力学及新相形状的影响。    9-6请分析温度对相变热力学及动力学的影响。    9-7调幅分解与脱溶分解有何异同点？调幅分解所得到的显微结构与性能有何特点？    9-8当一种纯液体过冷到平衡凝固温度（T0）以下时，固相与液相间的自

2、由焓差越来越负。试证明在温度T0附近随温度变化的关系近似地为：，式中∆HV<0为凝固潜热。    9-9在纯液体平衡凝固温度T0以下，临界相变势垒随温度下降而减小，于是有一个使热起伏活化因子exp为极大值的温度。试证明当T＝T0/3时，exp有极大植。（提示：利用表达式）    9-10 为什么在成核一生长机理相变中，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？   9-11  何谓均匀成核？何谓不均匀成核？晶核剂对熔体结晶过程的临界晶核半径r*有何影响?    9-12   在不均匀成核的情况下，相变活化能与表面张力有关，试讨论不均匀成核的活化能△Gh*与接触角θ的

3、关系，并证明当时，△Gh*是均匀成核活化能的一半。    9-13  铁的原子量为55.84，密度为7.3g/cm3，熔点为1593℃，熔化热为11495J/mol，固－液界面能为2.04×10－5J/cm2，试求在过冷度为10℃、100℃时的临界晶核大小，并估计这些晶核分别由多少个晶胞所组成（已知铁为体心立方晶格，晶格常数a＝0.305nm）。    9-14            熔体冷却结晶过程中，在1000℃时，单位体积自由焓变化△GV418J/cm3；在900℃时是2090J/cm3。设固－液界面能5×10－5J/cm2，求：（1）在900℃和1000℃时的临界晶核半径；（2）在9

4、00℃和1000℃时进行相变所需的能量。    9-15如在液相中形成边长为a的立方体晶核时，求出“临界核胚”立方体边长a*和△G*。为什么立方体的△G*大于球形△G*?    9-16铜的熔点Tm＝1385k，在过冷度△T＝0.2Tm的温度下，通过均相成核得到晶体铜。计算该温度下的临界核胚半径及临界核胚的原子数。（∆H＝1628J/cm3、γ＝1.77×10－5J/cm2，设铜为面心立方晶体，a＝0.3615nm）    9-17图9-1为晶核的半径r与△G间的关系，现有不同温度的三条曲线，请指出哪条温度最高？哪条温度最低？并说明理由。    图9-1 △G~r关系曲线  第九章答案   

5、9-2什么叫相变？按照相变机理来划分，可分为哪些相变?   解：相变是物质系统不同相之间的相互转变。按相变机理来分，可以分为扩散型相变和非扩散型相变和半扩散型相变。依靠原子或离子长距离扩散进行的相变叫扩散型相变。非扩散型型相变指原子或离子发生移动，但相对位移不超过原子间距。   9-3分析发生固态相变时组分及过冷度变化相变驱动力的影响。   解：相变驱动力是在相变温度下新旧相的体自由能之差（），而且是新相形成的必要条件。当两个组元混合形成固溶体时，混合后的体系的自由能会发生变化。可以通过自由能-成分曲线来确定其相变驱动力的大小。过冷度是相变临界温度与实际转变温度之差，相变形核的热力学条件是要

6、有过冷度。已知驱动力与过冷度之间的关系是：,这进一步说明了形核的热力学条件。   9-4马氏体相变具有什么特征？它和成核－生成相变有何差别?   解：马氏体相变是替换原子经无扩散切变位移(均匀或不均匀)并由此产生形状改变和表面浮凸、曾不变平面应变特征的一级形核、长大的相变。   特征：具有剪切均匀整齐性、不发生原子扩散、相变速度快、相变有一定范围、有很大的切变型弹性应变能。成核－生长过程中存在扩散相变，母相与晶相组成可相同可不同，转变速度较慢，无明显的开始和终了温度。   9-5试分析应变能及表面能对固态相变热力学、动力学及新相形状的影响。   解：物质的表面具有表面张力σ,在恒温恒压下可逆

7、地增大表面积dA,则需功σdA,因为所需的功等于物系自由能的增加,且这一增加是由于物系的表面积增大所致,故称为表面自由能或表面能。应变能和表面能可以影响相变驱动力的大小，和新相的形状。   9-6请分析温度对相变热力学及动力学的影响。   解：当温度降低，过冷度增大，成核势垒下降，成核速率增大，直至达到最大值；当温度继续下降，液相粘度增加，原子或分子扩散速率下降。温度过高或过低对成核和生长速率均不利，只有在一