材料加工基本原理第五版1至11章课后答案(7)

Hm T

Tm

GV

再结合（3-6）式来看，

m（其中：ΔHm —熔化潜热， ΔT —过冷度）

由于对某一特定金属或合金而言，Tm及ΔHm均为定值， 所以过冷度ΔT是影响凝固相变驱动力ΔG的决定因素 。

( T T)

怎样理解溶质平衡分配系数K0的物理意义及热力学意义？

答：（1）K0的物理意义如下：

溶质平衡分配系数K0定义为：特定温度T*下固相合金

成分浓度C 与液相合金成分浓度C衡时的比值： C

S

S L

达到平

CL

K0 =

K0＜1时，固相线、液相线构成的张角朝下，K0越小，

固相线、液相线张开程度越大，开始结晶时与终了结晶时的固相成分差别越大，最终凝固组织的成分偏析越严重。

K0＞1时，固相线、液相线构成的张角朝上，K0越大，

固相线、液相线张开程度越大，开始结晶时与终了结晶时的固相成分差别越大，最终凝固组织的成分偏析越严重。

（2）K0的热力学意义如下：

根据相平衡热力学条件，平衡时溶质在固相及液相中化

学位相等

i(T) i(T)

LS

K

CS

**

经推导

fi fi 1,

L

S

CL

fifi

LS

expCS

**

oi(T) oi(T)

RT

L

LS

]

（1）

S

K0

稀溶液时，于是有： （2）

由（1）及（2）式可知溶质平衡分配系数主要取决于溶质在液、固两相中的标准化学位，对于实际合金，还受溶质

在液、固两相中的活度系数中化学位相等，即

Li

CL

exp[

oi(T) oi(T)

RT

]

f

影响。平衡时溶质在固相和液相

S

(T) i(T)

。当平衡被打破时，

。欲达到新平衡，只有通过溶质扩散改变

液固两相溶质组元活度，从而建立新的平衡，使

(T) (T) i(T) i(T)

L

S

LiSi

。

3．结合图3-3及图3－4解释临界晶核半径r*和形

核功ΔG*的意义，以及为什么形核要有一定过冷度。

答：（1）临界晶核半径r*的意义如下： r＜r*时，产生的晶核极不稳定，随即消散；

r =r*时，产生的晶核处于介稳状态，既可消散也可生长； r＞r*时，不稳定的晶胚转化为稳定晶核，开始大量形核。

故r*表示原先不稳定的晶胚转变为稳定晶核的临界尺寸。 临界形核功ΔG*的意义如下：

表示形核过程系统需克服的能量障碍，即形核“能垒”。只有当ΔG≥ΔG*时，液相才开始形核。

r

图3-4 液态金属r°、r*与T的关系及临界过冷度ΔT *

（2）形核必须要有一定过冷度的原因如下： 由形核功的公式：

G

16 3

SL

3

VSTm

H T

m

（均质形核）

2

16

G

he

3LS

=

对某种晶体而言，VS、

SL、 Hm、Tm

均为定值，ΔG*∝ΔT－2，过冷度ΔT 越小，形核功ΔG*越大，ΔT→0时，ΔG*→∞，这表明过冷度很小时难以形核，

所以物质凝固形核必须要有一定过冷度。

3

Tm VS

T H

m

2 3cos cos3 4 （非均质形核）

4．比较式（3-14）与式（3-18）、式（3-15）与式（3-19），说明为什么异质形核比均质

形核容易，以及影响异质形核的基本因素和其它条件。

rho

答：

2 SLVS2 SLVSTm

2 SLVS GV

2 SL Vs Tm Hm T

（3-14）

rhe*=

GV

Hm T

（3-18）

Gho

16

VSTm

3 SL H T3m

3LS

（3-15） 2 3cos cos3 4 (3-19)

2

2

Ghe

*

16

3

Tm VS

T H

m

（1）异质形核比均质形核容易的原因如下：

首先，从（3-14）式和(3-18)式可以看出：

非均质形核时的球缺的临界曲率半径与均质形核时的相同，但新生固相的球缺实际体积却比均质形核时的晶核体积

小得多 ，所以，从本质上说，液体中晶胚附在适当的基底界面上形核，体积比均质临界晶核体积小得多时便可达到临界晶核半径 。

再从（3-15）式和(3-19)式可以看出： ΔGhe

14

(2 3cos cos ) Gho

3

3 2 3cos cos

令

f

he

4

，其数值在0~1之间变化

则 ΔG

f( ) Gho

显然接触角 大小(晶体与杂质基底相互润湿程度)影响非均质形核的难易程度。

由于通常情况下，接触角 远小于180o，所以，非均质形核功ΔGhe远小于均质形核功ΔGho ，非均质形核过冷度ΔT*比均质形核的要小得多。

综合上述几方面原因，所以异质形核比均质形核容易得多。

(2)影响异质形核的基本因素如下：

首先，非均质形核必须满足在液相中分布有一些杂质颗粒或铸型表面来提供形核基底。其次，接触角 180°， 因为当 180°时，=ΔGho*，此时非均质形核不起作用。 影响异质形核的其它条件：

a.基底晶体与结晶相的晶格错配度的影响。

ac aN

aN

100%

Ghe

*

（aN —结晶相点阵间隔，aC —杂质点阵间隔）

错配度δ越小，共格情况越好，界面张力σSC越小，越容易进行非均质形核。 b.过冷度的影响。

过冷度越大，能促使非均匀形核的外来质点的种类和数量越多，非均匀形核能力越强。

讨论两类固-液界面结构（粗糙面和光滑面）形成的本质及其判据。

答：（1）a.固-液界面结构主要取决于晶体生长时的热力学条件及晶面取向。

设晶体内部原子配位数为ν，界面上（某一晶面）的配位数为η，晶体表面上有N个原子位置只有NA个固相原子

NA

x

N）（，则在熔点Tm时，单个原子由液相向固-液界面的固相上沉积的相对自由能变化为：

FSNkTm~

H

~ H

m

kTm

m

x(1 x) xlnx (1 x)ln(1 x)

ax(1 x) xlnx (1 x)ln1( x)

（1）

kTm

被称为Jackson因子。 k为玻尔滋曼常数，f为单个原子的熔融熵，

通过分析比较不同 值时相对自由能与界面原子占据率可以看出：

≤2时，ΔFS在x=0.5（晶体表面有一半空缺位置）时有一个极小值，即自由能最低；

2＜ ＜5时，ΔFS在偏离x中心位置的两旁（但仍离x=0或x=1处有一定距离）有两个极小值。此时，晶体表面

尚有一小部分位置空缺或大部分位置空缺； ＞5时，ΔFS在接近x=0或x=1处有两个极小值。此时，晶体表面位置几乎全被占满或仅有极少数位置被占据。

非常大时，ΔFS的两个最小值出现在x→0，x→1的地方（晶体表面位置已被占满）。

~ Hm 1

k/~ 2k 4k

STvf0.5m 若将=2， =0.5同时代入（2）式，单个原子的熔融熵为：=，对于一摩尔，

熔融熵ΔSf =4kNA=4R（其中：NA为阿伏加德罗常数，R为气体常数）。由（2）式可知，熔融熵ΔSf上升，则 增大，所以ΔSf≤4R时，界面以粗糙面为最稳定，此时晶体表面容易接纳液相中的原子而生长。熔融熵越小，越容易成为粗糙界面。因此，液-固微观界面结构究竟是粗糙面还是光滑面主要取决于物质的热力学性质。

另一方面，对于热力学性质一定的同种物质，η/ν值取决于界面是哪个晶面族。对于密排晶面，η/ν值是高的，对于

非密排晶面，η/ν值是低的，根据式（2），η/ν值越低， 值越小。这说明非密排晶面作为晶体表面（固-液界面）时，微观界面结构容易成为粗糙界面。

b.晶体生长界面结构还会受到动力学因素的影响，如凝固过冷度及结晶物质在液体中的浓度等。过冷度大时，生长速

度快，界面的原子层数较多，容易形成粗糙面结构，而过冷度小时界面的原子层数较少，粗糙度减小，容易形成光滑界面。浓度小的物质结晶时，界面生长易按台阶的侧面扩展方式进行（固-液界面原子层厚度小），从而即 使＜2时，其固-液界面也可能有光滑界面结构特征。

（2）可用Jackson因子 作为两类固-液界面结构的判据：

（2）

~~

Hm/Tm S