北科大《固态相变》12道练习题.docx

固态相变课程12道复习题北科大 chenleng老师1. 什么是一级相变？什么是二级相变？并举例说明。n分类标志：热力学势及其导数的连续性。自由能和内能都是热力学函数，它们的第一阶导数是压力（或体积）和熵（或温度）等，而第二阶导数是比热、膨胀率、压缩率和磁化率等。第一类相变（一级相变）：凡是热力学势本身连续，而第一阶导数不连续的状态突变，称为第一类相变。第一阶导数不连续，表示相变伴随着明显的体积变化和热量的吸放(潜热)。普通的气液相变、液固相变、金属和合金的多数固态相变、在外磁场中的超导转变，属于第一类相变。第二类相变（二级相变）：热力学势和它的第一阶导数连续变化，而第二阶导数不连续的情形，称为第二类相变。这时没有体积变化和潜热，但膨胀率、压缩率和比热等物理量随温度的变化曲线上出现跃变或无穷的尖峰。超流、没有外磁场的超导转变、气液临界点、磁相变、合金中部分有序-无序相变，属于第二类相变。习惯上把第二类以上的高阶相变，通称为连续相变或临界现象。玻色-爱因斯坦凝结现象是三级相变。按相变方式分类：形核长大型相变、连续型相变按原子迁移特征分类：扩散型相变、无扩散型相变2. 回答以下问题：（1）经典形核理论的均匀形核和非均匀形核的临界核心的曲率半径哪个更大？为什么？（2）均匀形核和非均匀形核的临界核心形成功哪个更大，为什么？（3）均匀形核和非均匀形核的形核速率哪个更大，为什么？（4）经典形核理论对再结晶核心的形成是否适用，为什么？（5）两相转变的平衡温度与再结晶温度的本质有何区别，并给出解释。n非均匀形核：（1）应该特别注意到，在相同的过冷度下，非均匀形核的临界曲率半径和均匀形核临界半径是相同的。（2）非均匀形核时，因为和浸润角有关的f()总是小于1，所以非均匀形核的临界形核功总比均匀形核小。（3）在凝固时液相中都含有大量的形核靠背，例如盛放液体的容器模壁、液体中含的微小固态微粒等。所以，实际的凝固过程中非均匀形核率总比均匀形核的形核率要高得多；在固态相变时，由于位错，层错，晶界的影响，非均匀形核的形核率大于均匀形核。（4）不适用。由于再结晶的驱动力(储存能)远比一般相变的驱动力小，而晶界能却和相变的相界能差不多，所以形核的临界核心尺寸非常大(0.1mm)，以至实际上不能实现。或者，从另一个角度看，当形成一个合理尺寸的核心时，必须在几个nm范围内有20%数量级的局部弹性应变，这也是不可能的。这样，所谓再结晶核心并不是热力学意义上的核心，它只是在变形结构中再结晶前预先存在的几乎没有变形的小体积。（5）相变必有一个临界温度，该临界温度是热力学意义的温度。再结晶临界温度只是一个动力学意义的温度，无明确值。定义：在一定时间内(1小时)刚好完成(常用完成95%或98%)再结晶的温度。变形量足够大时，一般纯金属的再结晶温度为：(0.350.4)Tm3. 在金属和合金中，一般的扩散型相变的临界核心尺寸的数量级有多大？临界核心形成功的数量级有多大？临界晶核尺寸纳米级；临界形核功10-18J4. 从自由能-成分曲线、新相成分和结构、界面、扩散方式和转变速率等方面的特点比较调幅分解与形核长大型脱溶转变。a.自由能成分曲线：调幅分解在拐点线之内；脱溶转变在拐点线之外b.新相成分和结构：调结构不变，成分变；脱结构变，成分变c.界面：调共格；脱共格半共格非共格d.扩散方式：调上坡扩散；脱下坡扩散e.转变速率：调速率快；脱速率慢，有过渡相析出调幅分解形核长大型变形成分连续变化，最后达到平衡新相始终保持平衡成分，不随时间变化相界面开始无明显相界面，最后才变明显始终都有明显的相界面组织形态两相大小分布规则，一般不是球状，组织均匀性好大小不一，分布漫乱，常呈球状，组织均匀性差结构成分不同，结构相同的两相新相和母相在结构、成分均不同5. 马氏体相变是为什么新相和母相有择优趋向关系？替换原子经无扩散位移（均匀和不均匀变形）、由此产生的形状改变和表面浮涂、呈不变平面应变特征的一级、形核-长大型相变。无扩散是指，相变过程中，没有原子的长程扩散，或者虽有扩散但不是引起相变的必须的或者重要原因。择优取向指母相、新相沿一定晶面平行，这样可使能量低、稳定，故有择优取向。从贝因模型到马氏体相变的唯象理论（图加文字）6. 什么是块状转变？它的界面迁移过程和再结晶过程很相似，比较块状转变和再结晶的速度那个更快？为什么？n定义为：成分不变，通过相界扩散的形核-长大型相变；包括结构改变和有序化，产物一般呈块状组织，有时也呈平面边界，与母相晶粒没有完整的位向关系，没有点阵对应。块状转变速率快，因为块状转变的驱动力比再结晶的要大几个数量级。7. 简述贝氏体转变机制。a.柯俊：刚形成贝氏体时，呈现表面浮突，认为马氏体这一相变与马氏体相变一样，属于切边相变。但与马氏体相变不一样，其形成速度较慢，是由于受碳扩散的影响。受碳扩散影响，有浮突，与马氏体同属不变平面应变，有切变分力；b.Bhadeshia:切变形核、切变长大，不可穿越晶界，相变不完全性，认为贝氏体相变的形状改变诱发紧邻奥氏体塑性适配，使相界失去共格性，束状显微组织；c.Aaronson:有浮突，但不是倾斜性，是帐篷型的，非不变平面应变，由扩散长大的台阶机制形成。8. 朗道理论的基本思想？什么是序参量，在结构转变和铁磁转变中可以选什么作为序参量？连续相变的本质是什么？n基本思想：用序参量的幂级数展开式来表示相变温度附近的自由能。序参量：一个系统从高对称相转变为低对称相时，系统的某一个物理量将从高对称相中的0值转变为低对称相中的非0值，这个物理量称为序参量。(M)=0(T)+1/2a(T)M2+1/4b(T)M4+连续相变：是指T=Tc时序参量连续地从0值变到非0值的相变。连续相变的本质：物理参数的无穷小变化引起对称性的破缺。共同特征：物质有序程度的改变以及与之相伴的物质对称性的改变。无体积变化和潜热；不需消耗有限能量；序参量变化连续；相变为一种突变。9. 相变的驱动力是什么？再结晶的驱动力是什么？什么是均匀形核和非均匀形核？两者的临界核心半径的大小有何区别，为什么？经典形核理论对凝固、脱溶、马氏体转变、再结晶和调幅分解等转变都适用吗，为什么？n答：相变驱动力：恒温恒压条件下，新旧相的摩尔吉布斯自由能差；再结晶驱动力：形变储存能；均匀形核：在母相中产生新相时不依靠任何靠背，均匀母相中各处形核几率相等。非均匀形核：新相的形核需要依靠母相中某些特定位置，如晶界、位错、模型壁等。经典形核理论对再结晶不适用，其他都适用。因为再结晶没有晶体结构变化，驱动力不是相变两相的自由能差，而是形变储存能，驱动力小很多。10. 回复和再结晶的本质区别是什么？什么是再结晶的驱动力？什么是再结晶温度？简要描述以下再结晶现象：（1）连续（原位）再结晶；（2）动态再结晶；（3）亚动态再结晶。n答：区别：大角度晶界的迁动。回复阶段不涉及大角度晶界的迁动，通过点缺陷消除、位错的对消和重排来实现，过程是均匀的，晶粒仍维持原来的取向；再结晶主要通过大角度晶界迁动来完成，会引起大的局部再取向，形变织构可能发生变化。驱动力是形变储存能；再结晶温度：人为定义，工业上通常规定在1h内刚好完成（95或98%）再结晶所对应的温度为再结晶温度，它是一个动力学意义的温度。现象（1）连续再结晶：在再结晶前已发生脱溶，粒子通过钉扎阻止再结晶。随着保温时间延长，脱溶质点聚集长大，变形基体的位错排列发生改变，逐渐减小位错密度和调整亚晶的取向差和尺寸，最后使基体恢复为变形前的结构状态。这个过程称为连续再结晶或原位再结晶。（2）动态再结晶：在热加工（在再结晶温度以上）过程中伴随发生的再结晶过程称为动态再结晶。（3）亚动态再结晶：在动态再结晶时已形成的再结晶核心以及正在推移的再结晶晶粒界面，不必再经过任何孕育期继续长大和推移。11. 再结晶过程的形核机制主要有哪些？一般在哪些地点优先形核？第二相粒子对再结晶速度可能有哪些影响？分析其原因。n答：形核机制：（1）应变诱发晶界迁动形核；（2）亚晶聚合粗化形核。在大应变变形下，再结晶时经常在原晶界邻域形核。因为形变时在晶界附近总是多个滑移系开动使得该区域有较大的取向梯度，所以在这里易于形核。再结晶核心优先在原晶界以及局部变形不均匀的区域（有位向梯度的区域）形成。第二相粒子对再结晶有三方面影响：增加变形储存能，从而增加再结晶驱动力粒子附近可能作为再结晶形核位置弥散和稠密分布的第二相粒子钉扎晶界，阻碍迁动12. 什么是连续动态再结晶？连续动态再结晶分为几何动态再结晶和点阵逐渐旋转再结晶，简要讨论这两种再结晶现象及其发生条件。n连续动态再结晶：对于高层错能的材料，如铝、铁等，在变形或变形后退火中亚晶界持续吸收位错，最终变为大角度晶界，没有形核和长大的过程，即没有大角度晶界的迁移来消除高能的变形态，这个过程称为“连续动态再结晶”。其发生条件为：具有低、中层错能的金属，回复过程较慢，热加工时，动态回复未能同步抵消加工时位错的增殖和积累，超过某一临界变形量后发生动态再结晶。几何动态再结晶：动态回复时，大角度晶界发展成为锯齿状（与亚晶尺寸相当），亚晶尺寸几乎与变形量无关，这样大角度晶界的分数随应变量增加而增加。如果材料在横截面受到较大的压缩（轧制或热挤压变形），晶粒变为扁平状，最终当晶界的锯齿状波纹尺寸与晶粒厚度相当时，波纹状晶界将会想回贯通，结果形成与亚晶尺寸相当的小等轴晶，它们的晶界是大角度晶界。这个过程不涉及形核和核心长大，是一种动态连续再结晶。这种连续再结晶是因为大变形过程的几何原因发生的。因此称为几何动态再结晶。几