3.2 结晶的热力学条件
金属学与热处理(第三版)课后习题答案 哈工大工业大学 崔忠圻主编
金属学与热处理课后答案第一章填表：晶格类型原子数原子半径配位数致密度体心立方2a43868%面心立方4a421274%密排六方6a211274%5、作图表示出立方晶系（123）、（0-1-2）、（421）等晶面和[-102]、[-211]、[346]等晶向10、已知面心立方晶格常数为a，分别计算（100）、（110）、和（111）晶面的晶面间距；并求出【100】、【110】和【111】晶向上的原子排列密度（某晶向上的原子排列密度是指该晶向上单位长度排列原子的个数）答：（100）：（110）：（111）：14、何谓组元？何谓相？何谓固溶体？固溶体的晶体结构有何特点？何谓置换固溶体？影响其固溶度的因素有哪些？答:组元：组成合金最基本的、独立的物质。
相：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。
固溶体：合金组元之间以不同的比例相互混合形成的晶体结构与某一组元相同的固相。
固溶体的晶体结构特点：固溶体仍保持着溶剂的晶格类型，但结构发生了变化，主要包括以下几个方面：1)有晶格畸变，2)有偏聚与有序，3)当低于某一温度时，可使具有短程有序的固溶体的溶质和溶剂原子在整个晶体中都按—定的顺序排列起来，转变为长程有序，形成有序固溶体。
置换固溶体：溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体。
影响置换固溶体固溶度的因素：原子尺寸，电负性，电子浓度，晶体结构15、何谓固溶强化？置换固溶体和间隙固溶体的强化效果哪个大？为什么？答：固溶强化：在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降的现象。
间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体的强化效果。
原因：溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，所引起的晶格畸变也越大，强化效果越好。
间隙固溶体晶格畸变大于置换固溶体的晶格畸变16、何谓间隙相？它与间隙固溶体及复杂晶格间隙化合物有何区别？答：间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时，形成的简单的晶体结构称为间隙相。
金属材料第三章结晶
第三章金属的结晶金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于固态金属是晶体，故又把凝固称为结晶。
§3.1 结晶的过程和条件一、液态金属的结构特点金属键：导电性，正电阻温度系数近程有序：近程规则排列的原子集团结构起伏：近程规则排列的原子集团是不稳定的，处于时聚时散，时起时伏，此起彼伏，不断变化和运动之中，称为结构起伏。
结晶的结构条件：当近程规则排列的原子集团达到一定的尺寸时，可能成为结晶核心称为晶核, 即由液态金属的结构起伏提供了结晶核心。
结构起伏是金属结晶的结构条件。
二、结晶过程形核：液相中出现结晶核心即晶核；晶核长大：晶核形成后不断长大，同时新晶核不断形成并长大；不断形核、不断长大；晶体形成：各晶核相互碰撞，形成取向各异、大小不等的等轴晶粒组成的多晶体形核与长大是晶体形成的一般规律。
单晶体与多晶体三、结晶的过冷现象用热分析法获得液态金属在缓慢冷却时温度随时间的变化关系，即冷却曲线。
由冷却曲线可知，结晶时有过冷现象：实际结晶温度Tn低于理论结晶温度Tm的现象称为过冷。
液态金属过冷是结晶的必要条件。
过冷度：△T=Tm-Tn, 其大小除与金属的性质和纯度有关外，主要决定于冷却速度，一般冷却速度愈大，实际结晶温度愈低，过冷度愈大。
四、结晶的热力学条件热力学：研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科，主要研究平衡状态的物理、化学过程。
热力学第二定律：在等温等压下，自发过程自动进行的方向是体系自由焓降低的方向，这个过程一直进行到自由焓具有最低值为止，称为最小自由焓原理。
利用最小自由焓原理分析结晶过程。
两相自由焓差是相变的驱动力。
金属结晶的热力学条件：固相自由焓必须低于液相自由焓。
热力学条件与过冷条件的一致性。
§3.2 形核的规律形核方式：均匀形核（自发形核）与非均匀形核（非自发形核）。
一、均匀形核均匀形核：当液态金属很纯净时，在相当大的过冷度下，固态晶核依靠液相内部的结构起伏直接从液相中自发形成。
金属学与热处理课后答案
14、何谓组元？何谓相？何谓固溶体？固溶体的晶体结构有何特点？何谓置换固溶体？影响其固溶度的因素有哪些？答: 组元：组成合金最基本的、独立的物质。
相：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。
固溶体：合金组元之间以不同的比例相互混合形成的晶体结构与某一组元相同的固相。
固溶体的晶体结构特点：固溶体仍保持着溶剂的晶格类型，但结构发生了变化，主要包括以下几个方面：1)有晶格畸变，2)有偏聚与有序，3)当低于某一温度时，可使具有短程有序的固溶体的溶质和溶剂原子在整个晶体中都按—定的顺序排列起来，转变为长程有序，形成有序固溶体。
置换固溶体：溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体。
影响置换固溶体固溶度的因素：原子尺寸，电负性，电子浓度，晶体结构15、何谓固溶强化？置换固溶体和间隙固溶体的强化效果哪个大？为什么？答：固溶强化：在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降的现象。
间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体的强化效果。
原因：溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，所引起的晶格畸变也越大，强化效果越好。
间隙固溶体晶格畸变大于置换固溶体的晶格畸变16、何谓间隙相？它与间隙固溶体及复杂晶格间隙化合物有何区别？答：间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时，形成的简单的晶体结构称为间隙相。
间隙相与间隙固溶体有本质的区别，间隙相是一种化合物，它具有与其组元完全不同的晶格结构，而间隙固溶体则任保持着溶剂组元的晶格类型。
间隙相与间隙化合物相比具有比较简单的晶体结构，间隙相一般比间隙化合物硬度更高，更稳定。
21、何谓刃型位错和螺型位错？定性说明刃型位错的弹性应力场与异类原子的相互作用，对金属力学性能有何影响？答：刃型位错：设有一简单立方晶体，某一原子面在晶体内部中断，这个原子平面中断处的边缘就是一个刃型位错，犹如一把锋利的钢刀将晶体上半部分切开，沿切口硬入一额外半原子面一样，将刃口处的原子列为刃型位错线。
《材料科学基础》考试重点及答案
《材料科学基础》考试重点及答案1晶体点阵有实际原子、离子、分子或各种原子集团，按一定几何规律的具体排列方式称为晶体结构或为晶体点阵。
2晶格用以描述晶体中原子排列规律的空间格架。
3配位数原子周围最近邻等距离的原子数目；在离子晶体里，一个正离子周围的最近邻负离子数称为配位数。
4晶体缺陷晶体中原子偏离其平衡位置而出现的不完整性区域。
5位错晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。
6位错反应有两个位错合成为一个新位错或有一个位错分解为几个新位错的过程。
7小角晶界两个相邻晶粒位向差小于10度的晶界称为小角晶界。
8晶面能由于晶界上原子排列不规律产生点阵畸变，引起能量升高，这部分能量称为晶面能。
9固熔体固态下一种组元熔解在另一种组元中而形成的新相。
10间隙相又称为简单间隙化合物非金属原子与过渡族原子的半径的比值小于0.59，化合物具有比较简单的结构称为间隙化合物。
11过冷度实际开始结晶温度与理论结晶温度之间的温度差称为过冷度。
12均匀形核在过冷的液态金属中，依靠液态金属本身的能量变化获得驱动力由晶胚直接形核的过程。
13非均匀形核在过冷液态金属中，若晶胚是依附在其他物质表面上成核的过程。
14形核率单位时间单位体积内所形成的晶核数目。
15相图又称状态图或平衡图表示材料系统中相得状态与温度及成分之间关系的一种图形。
成分过冷这种有液相成分改变而形成的的过冷。
16伪共晶这种有非共晶成分的合金得到的共晶组织。
17包晶转变当有些合金凝固到达一定温度时，已结晶出来的一定成分的固相与剩余的液相发生反应生成另一种固相，这种转变为共晶转变。
18 扩散第一定律：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质量（通称为扩散通量）与该截面处的浓度梯度成正比。
19 科肯道尔效应：由于两种原子扩散速度不同，导致扩散偶的一侧向另一侧发生物质静输送的性质。
20 本征扩散：以本征缺陷为媒介发生的扩散称为本征扩散。
(处于热平衡状态的晶体内部总存在一定数量的点缺陷，这类点缺陷也称为本征缺陷)。
材料科学基础I 第四章 (凝固与结晶)
本章应掌握以下内容： 本章应掌握以下内容： 1. 金属凝固的过程和现象 2. 凝固和结晶的热力学条件 3. 几个重要概念：过冷度，临界晶核半径，临界形核功， 几个重要概念：过冷度，临界晶核半径，临界形核功， 形核率，均匀形核，非均匀形核， 形核率，均匀形核，非均匀形核，成分过冷 4. 冷却速度、过冷度对凝固过程和凝固组织的影响 冷却速度、 5. 液—固界面的结构及晶体生长形态 固界面的结构及晶体生长形态 6. 成分过冷对晶体生长形态的影响 7. 单相固溶体的长大 8. 两相共晶体的长大
三、近程有序(Short range order) 近程有序
由于有序原子集团的尺寸很小， 由于有序原子集团的尺寸很小，所以把液态金属结构的特点 概括为近程有序 温度降低，这些近程有序的原子集团（ 近程有序。 概括为近程有序。温度降低，这些近程有序的原子集团（又称 晶胚Embryo）尺寸会增大；当具备结晶条件时，大于一定尺 为晶胚 ）尺寸会增大；当具备结晶条件时， 寸的晶胚就会成为晶核 晶核(Nucleus)。晶核的出现就意味着结晶开 寸的晶胚就会成为晶核 。 始了。 始了。 综上所述，接近熔点的液态金属是由许多“原子集团”组成， 综上所述，接近熔点的液态金属是由许多“原子集团”组成， 其中原子呈规律排列，结构与原固体相似（近程有序）；但是 其中原子呈规律排列，结构与原固体相似（近程有序）；但是 ）； 金属液体中存在很大的能量起伏，热运动激烈。 金属液体中存在很大的能量起伏，热运动激烈。原子集团的大 小不等，存在时间很短，时聚时散，空位较多。 小不等，存在时间很短，时聚时散，空位较多。原子集团之间 存在“空穴”和一些排列无序的原子。 存在“空穴”和一些排列无序的原子。
三、结晶的驱动力
∆G=GS‒GL<0，符合热力学第二定律。 ，符合热力学第二定律。 单位体积金属结晶时自由能的变化： 单位体积金属结晶时自由能的变化： ∆Gv=GS‒GL=(HS‒TSS) ‒(HL‒ TSL)= (HS‒ HL) ‒T (SS ‒ SL) = ‒∆Hm+ T∆S = ‒∆Hm+T(∆Hm/Tm) = ‒∆Hm(Tm‒T)/Tm =(‒∆Hm/Tm) ∆T ‒ ∆T=Tm‒T，称为过冷度 ，称为过冷度 ∆Hm，即结晶潜热 m 即结晶潜热L ∆Gv(<0)就是结晶的驱动力，∆T越大，结晶的驱动力越大。 就是结晶的驱动力， 越大 结晶的驱动力越大。 越大， 就是结晶的驱动力
结晶速度与温度的关系
结晶速度与温度的关系1.引言1.1 概述在文章的概述部分，我们可以简要介绍结晶速度与温度之间的关系以及该主题的重要性。
结晶速度是指物质从溶解状态向固态晶体转变的速度，而温度则是一个影响结晶速度的重要因素。
随着温度的变化，结晶速度可能会有所改变。
研究结晶速度与温度的关系对于许多领域都具有重要意义。
首先，了解结晶速度与温度的关系可以帮助我们更好地理解结晶过程和物质的相变行为。
结晶是一种重要的固态形成过程，它不仅在化学领域中具有广泛的应用，还对材料科学、生物科学等领域有着深远的影响。
通过研究结晶速度与温度的关系，我们可以揭示结晶过程中的动力学机制，进一步优化结晶条件，提高产品的纯度和晶体质量。
其次，结晶速度与温度的关系在工业上具有重要的应用价值。
许多工业流程中都涉及到结晶过程，比如化工、冶金、制药等行业。
通过深入理解结晶速度与温度的关系，我们可以优化工业生产中的结晶过程，并提高生产效率和产品质量。
此外，掌握结晶速度与温度的关系还可以为材料合成、晶体管制备等领域的研究提供指导和依据。
总之，结晶速度与温度之间存在着密切的关联。
研究结晶速度与温度的关系不仅有助于我们深入理解结晶过程和物质相变行为的基本原理，还具有广泛的应用前景。
通过进一步的研究和应用，我们可以推动结晶科学的发展，为相关领域的进步和创新做出重要贡献。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容：文章结构是指文章的整体组织框架，它有助于读者更好地理解和把握文章的内容。
本文主要涉及结晶速度与温度的关系，为了使读者更好地理解本文的主题和论点，本文将按照以下结构来展开论述：1. 引言：介绍本文的主题和背景，引起读者的兴趣。
首先，概述结晶速度和温度的关系以及其在实际生活中的应用，为读者提供一个整体的认识；然后，对本文的结构进行简要说明，告诉读者将会在接下来的几个部分讨论什么内容；最后，明确本文的目的，即通过对结晶速度和温度关系的探讨，揭示它们之间的关联并展望其应用前景。
材料科学基础复习要点
《材料科学基础》复习要点一、主要内容1. 工程材料中的原子排列（1）原子键合，工程材料种类；（2）原子的规则排列：晶体结构与空间点阵，晶向及晶面的特点及表示，金属的晶体结构，陶瓷的晶体结构。
（3）原子的不规则排列：点、线、面缺陷的类型及特征，位错的弹性性质，实际晶体中的位错。
2. 固体中的相结构（1）固溶体：分类、性能及影响固溶度的因素；（2）金属间化合物：分类、性能及特征；（3）陶瓷晶体相：分类、结构、性能及特征；（4）玻璃相：性能、特征及形成条件。
3. 凝固与结晶（1）结晶的基本规律；（2）结晶的基本条件；（3）晶核的形成：形核能量变化，临界晶核，形核功，形核率；（4）晶体的长大：长大条件，液固界面结构，长大机制，温度梯度，晶体形态；（5）凝固理论的应用。
4. 二元相图：（1）相图的基本知识；（2）二元匀晶相图、共晶相图及包晶相图：二元合金的平衡凝固及非平衡凝固，凝固过程中的成分变化及偏析，成分过冷与固溶体组织，共晶体形成机理及其形态，杠杆定律；（3）二元相图的分析方法，其他类型二元相图及其应用；（4）Fe-C相图分析及平衡凝固；（5）铸锭组织与偏析。
5. 材料中的扩散：（1）扩散定律及其应用；（2）扩散的微观机理，影响扩散的因素；（3）扩散的热力学理论；（4）反应扩散。
6. 塑性变形：（1）单晶体的塑性变形；（2）多晶体的塑性变形；（3）合金的塑性变形；（4）冷变形金属的组织与性能。
7. 回复与与结晶：（1）冷变形金属在加热时的变化；（2）回复：机制，热力学，动力学，应用，影响因素；（3）再结晶：机制，热力学，动力学，应用，影响因素；（4）再结晶后晶粒长大：机制，热力学，动力学，应用及组织控制，影响因素；（5）金属的热变形，超塑性。
二、参考书目1. 《材料科学基础》，胡庚祥，蔡珣，上海交通大学出版社，20002. 《材料科学基础》（第二版），刘智恩，西北工业大学出版社20033. 《材料科学基础》，石德珂，西安交通大学出版社，20004. 《材料科学基础》，潘金生，仝健民，清华大学出版社，1998《材料科学基础》复习纲要重要概念-键合、工程材料-晶体、非晶体、各向异性-点阵、晶体结构、晶胞、晶系、布拉菲点阵、晶面指数、晶向指数、晶面族、晶向族-晶格常数、晶胞原子数、配位数、致密度、间隙-堆垛、密排面、密排方向、堆垛次序、堆垛方向-缺陷、点缺陷、刃位错、螺位错、混合位错-柏氏矢量、滑移矢量-位错密度-滑移、攀移、交滑移、交割、割阶、扭折、塞积-位错应力场、应变能、线张力、位错线上的力-位错增殖、位错源-全位错、不全位错、堆垛层错、位错反应-晶界、相界、界面能、大角度晶界、小角度晶界、孪晶界-相、固溶体、置换固溶体、间隙固溶体-金属间化合物、玻璃相-凝固、结晶、短程有序、长程有序-结构起伏（相起伏）、能量起伏、成分起伏-过冷度、形核过冷度、动态过冷度、临界过冷度、有效形核过冷度-均匀形核、非均匀形核、晶核、临界晶核、临界形核功、形核率-光滑界面、粗糙界面、垂直长大、横向长大、温度梯度、树枝状-平衡转变（结晶）、非平衡转变（结晶）、正常凝固-匀晶、共晶、包晶、共析、包析、脱溶转变-平衡分配系数、有效分配系数-微观偏析（枝晶偏析）、宏观偏析-亚共晶、共晶、过共晶、伪共晶、离异共晶、非平衡共晶、包晶转变不完全性-铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体、渗碳体、工业纯铁、钢、铸铁-液相线、固相线、液相面、固相面、中间面、液相平均成分线、固相平均成分线-浓度三角形-垂直截面、水平界面、投影图-扩散、空位扩散、间隙扩散、稳态扩散、非稳态扩散-扩散系数、扩散激活能、扩散通量、迁移率-上坡扩散、反应扩散-滑移、滑移线、滑移带、滑移方向、滑移面、滑移系、临界分切应力、取向因子、吕德斯带-柯氏气团、屈服、应变时效-细晶强化、固溶强化、复相强化、弥散强化、加工硬化-纤维组织、带状组织、流线、位错胞、变形亚结构、织构-回复、再结晶、晶粒长大-低、中、高温回复，多边化，去应力退火-再结晶温度、再结晶退火-临界变形度、热蚀沟、再结晶图-动态回复、动态再结晶，热变形-复合材料、基体、增强体、界面各章知识要点一、工程材料中的原子排列§1.1 原子键合• 原子键合的种类、特点、典型例子• 工程材料的分类及其主要键合类型• 键合的多重性§1.2 原子的规则排列• 晶体的特点、晶体结构、点阵• 晶系、布拉菲点阵• 晶面指数、晶向指数（标定和作图）及其特点，晶面族、晶向族• 晶面间距• 典型金属结构（fcc、bcc、hcp）（晶胞原子数、点阵常数、配位数、致密度）（间隙种类及其特点）（堆垛方式）• 多晶型性、同素异晶转变• 陶瓷晶体结构（离子键晶体、共价键晶体）（结构规则、不等径刚球密堆原理）§1.3 原子的不规则排列• 缺陷的种类• 点缺陷的种类• 空位的平衡浓度• 点缺陷对晶体性能的影响• 位错的类型、特点• 柏氏矢量（柏氏回路）• 位错的运动方式、特点• 位错的力学性能（应力场、畸变能、位错线上的力、线张力）• 位错的交互作用（位错与点、线、面缺陷的交互作用）• 位错增殖• 实际晶体中的位错（全位错、不全位错、单位位错、部分位错、堆垛层错、弗兰克位错、肖克来位错）• 位错反应• 面缺陷（类型及其结构模型、界面能、界面的特点）二、固体中的相结构§ 2.1 固溶体-固溶体的概念、分类-影响固溶度的因素-固溶体的均匀性-固溶体的性能§ 2.2 金属间化合物-化合物的概念、分类-化合物的性能§ 2.3 陶瓷晶体相-陶瓷的概念、特征§ 2.4 玻璃相-陶瓷的概念、形成条件三、凝固§ 3.1 金属结晶的基本规律-微观规律（形核、长大、）-宏观规律（过冷）§ 3.2 金属结晶的基本条件-热力学条件（ΔG < 0、ΔT ）-动力学条件（形核：结构条件、能量条件、成分条件）（长大：速度条件）§ 3.3 晶核的形成-形核的方式（均匀形核、非均匀形核）-结晶时的体系能量变化-形核的驱动力和阻力-临界晶核的概念-临界晶核半径及其计算-临界形核功及其计算-形核率（概念、影响因素、特点）-两种形核方式的比较§3.4 晶体的长大-液固界面的微观结构-晶体的长大机制-温度梯度-晶体长大的形态§3.6 凝固理论的应用-铸锭晶粒组织及其控制-单晶体的制备-定向凝固-非晶合金的制备-微晶合金的制备四、相图§ 4.1 相、相平衡及相图制作-相的定义-相平衡的定义-成分的表示方法（质量分数、摩尔分数）-相图的制作方法§ 4.2 匀晶相图-相图分析-成分变化（平衡、非平衡）（微观偏析、宏观偏析）-成分过冷（概念、形成原因）-固溶体形貌§ 4.3 共晶相图-相图分析-共晶转变特点-典型合金的结晶过程（平衡、非平衡）-成分变化（平衡、非平衡）-共晶形成机理（形核机理、长大机理）-共晶体形貌特征（平衡、非平衡）-杠杆定律计算（相组成、组织组成）§ 4.4 包晶相图-相图分析-包晶转变特点-典型合金的结晶过程（平衡、非平衡）-成分变化（平衡、非平衡）-包晶形成机理-杠杆定律计算（相组成、组织组成）§ 4.5 其它相图-相图分析方法、步骤-典型合金的结晶过程（平衡、非平衡）-成分变化（平衡、非平衡）-杠杆定律计算（相组成、组织组成）§ 4.6 Fe-C相图-相图分析-典型合金的平衡结晶过程-成分变化-典型合金的名称-杠杆定律计算（相组成、组织组成）§ 4.8 铸锭组织与偏析-偏析的类型§ 4.9 三元合金相图-成分表示法（浓度三角形）-三元匀晶相图（立体图、投影图）-三元匀晶相图（垂直截面、水平截面）-三元匀晶相图平衡结晶过程-简单三元共晶相图（立体图、投影图）-简单三元共晶相图（垂直截面、水平截面）-简单三元共晶相图平衡结晶过程五、材料中的扩散§5.1 扩散定律及其应用-扩散第一定律及其应用条件-扩散第二定律及其应用条件§ 5.2 扩散的微观机理-扩散的微观机理-原子热运动对扩散的影响-晶态、非晶态化合物中的扩散§ 5.3 扩散的热力学理论-扩散的驱动力-上坡扩散（概念、诱因）-扩散系数§ 5.4 反应扩散-反应扩散（概念、特点）陶瓷的概念、特征§ 5.5 扩散的影响因素-影响因素及其机理六、塑性变形§ 6.1 应力－应变曲线-工程应力应变曲线、真应力应变曲线及二者差别-强度及塑性指标，硬化系数§ 6.2 单晶体的塑性变形-滑移现象（滑移线、滑移带、滑移特征）-滑移系-临界分切应力-滑移的微观机理-晶体的转动、多滑移、交滑移及滑移线形貌-孪生的概念、特点§ 6.3 多晶体的塑性变形-位向差及晶界对塑变的影响-细晶强化机理、特征-霍尔－配奇公式§6.4 合金的塑性变形-固溶强化机理-屈服及应变时效-复相强化机理及特征-弥散强化机理§ 6.5 冷变形金属的组织和性能-组织变化（显微组织、变形亚结构、变形织构）-能量变化（内应力、畸变能）-力学性能（加工硬化）-物理、化学性能变化七、回复与再结晶§ 7.1 加热时的变化-显微组织变化-能量变化-力学性能变化-物理、化学性能变化§ 7.2 回复-回复机制-回复热力学-回复动力学-回复应用§ 7.3 再结晶-再结晶机制（形核机制、长大机制）-再结晶热力学-再结晶动力学-再结晶温度及其影响因素-再结晶组织及其影响因素§ 7.4 再结晶后晶粒长大-长大方式-晶粒长大（特征、热力学、动力学）-晶粒长大影响因素-再结晶应用八、固态相变-固态相变的分类九、复合效应与界面-复合材料定义、分类-复合材料的构成、各部分的作用-复合效应-界面结合种类热处理改变钢的性能的原因是因为采用不同的加热、保温、冷却方式使钢内部结构发生改变，从而获得所需性能。
材料科学基础第三章
• 3.1.2 金属结晶的宏观现象
• 金属结晶伴随着一系列宏观特征的改变， 如结晶潜热的释放，融化熵的变化等。研 究这些宏观特征的变化是研究金属结晶过 程的重要手段。
• 3.1.2.1 冷却曲线与金属结晶温度：用热分 析装置将金属融化后缓慢降温，每隔一定 时间记录一次温度，绘制成温度-时间关系 曲线，称为冷却曲线。这种测定冷却曲线 的方法叫热分析法。
• 液态金属在达到某一过冷度之前基本不形 核，而在有效过冷度ΔΤP时形核率骤增。
• 金属的晶体结构简单，容易结晶。在达到 很大过冷度前已结晶完毕，无曲线后半部。
• 通常液态金属是不纯的。凝固总是从杂质 表面开始，所需要的过冷度很低，称非均 匀形核。将液态金属碎裂成直径10至50μm 的小液滴，则凝固按均匀成核方式进行。 纯金属均匀形核的有效过冷度为 ΔΤp0.2Tm(绝对温度)。
• 2) 拓扑无序模型：一些近程有序的基本几 何单元密集无序堆垛或随机密堆垛。
• 原子处于永恒的热运动。液态中的近程有 序结构只能维持极短时间(~10-11s)即消散， 同时又有新结构出现。形成结构起伏或叫 相起伏。
• 相起伏现象是液态结构的重要特征之一， 是产生晶核的基础。
• 规则排列结构比无规排列结构稳定。在过 冷液体中，短程有序结构越大越稳定，而 稳定结构才可能成为晶核。因此称过冷液 体中尺寸较大的近程规则排列结构为晶胚。
• 3.3.1.1 晶胚形成时的能量变化：
• 体积自由能：晶胚内部原子因规则排列而 低于液相原子自由能的差值称为体积自由 能。其值的降低为结晶动力。
• 表面自由能：晶胚表面原子因受力不均匀而偏离 平恒位置，其自由能反而高于液态原子，其差值 称为表面自由能。其值的增高为结晶阻力。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3.2 结晶的热力学条件
一 结晶的过冷现象
在纯金属液体缓慢冷却过程中测得的温度—时间关系曲线(冷却曲线)如图3—2所示。
从冷却曲线可见，纯金属液体在平衡结晶温度T m 时，不会结晶。
只有冷却到T m 以下的某个温度才开始形核，而后长大并放出大量潜热，使温度回升到略低于T m 温度。
结晶完成后，由于没有潜热放出，温度继续下降。
过冷是指液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。
通常将平衡结晶温度T m 与实际结晶温度T n 之差T ∆称为过冷度，即n m T T T -=∆。
图1 纯金属的冷却曲线
二 凝固的热力学条件
什么是平衡结晶温度，为什么形核必需在过冷条件下才能发生，这类问题需用热力学来解释。
由热力学第二定律知道，在等温等压条件下，一切自发过程都朝着使系统自由能降低的方向进行。
液、固金属自由能G 与温度T 的关系曲线如图2所示。
曲线上G L =G S 对应的温度T m 被称为平衡结晶温度，只有T <T m 时，才有G S <G L ，结晶才有驱动力，即结晶必需在过冷条件下才能发生。
纯晶体的液、固两相的自由能随温度变化规律如图2所示。
这样，两条斜率不同的曲线必然相交于一点，该点表示液、固两相的自由能相等，故两相处于平衡而共存，此温度即为理论凝固温度，也就是晶体的熔点Tm 。
事实上，在此两相共存温度，既不能完全结晶，也不能完全熔化，要发生结晶则体系必须降至低于Tm 温度，而发生熔化则必须高于Tm 。
图2 液相和固相自由能随温度变化示意图
由热力学可证明在恒温、恒压下，单位体积的液体与固体的自由能变化为，
m m T T
L V G ∆-=∆。
式中T ∆是过冷度，m L 为熔化潜热。
该式表明过冷度越大结晶的驱动力也越大。
由上式可知，要使ΔGv ＜0，必须使ΔT ＞0，即T ＜Tm ，故ΔT 称为过冷度。
晶体凝固的热力学条件表明，实际凝固温度应低于熔点Tm ，即需要有过冷度。