热力学与动力学2009

学号 姓名 成绩

考试时间： 2009 年 5 月 21 日 16：00－18：00， 地点：4号楼 323教室

考试科目：《 材料热力学与动力学 》（A卷）

注意事项：1、请考生独立完成

一、判断题：（用 或  符号指出对错。30分，每小题2分，此题可直接在本页完成）

1. 根据理查德规则，所有纯固体物质具有大致相同的熔化熵。 2. 合金中由亚稳相向稳定相转变不需要推动力。 3. 压力可以改变材料的结构，导致材料发生相变。 4. 合金的任何结构转变都可以通过应力驱动来实现。

5. 在马氏体相变中，界面能和应变能构成正相变的阻力，但也是逆相变的驱动力。

6. 热力学第三定律指出：在0 K时任何纯物质的熵值等于零。 7. 在高温下各种纯单质固体显示相同的等容热容。 8. 溶体的性质主要取决于组元间的相互作用参数。

9. 金属和合金在平衡态下都会存在一定数量的空位，因此说空位是热力学稳定的缺陷。

10. 固溶体中原子定向迁移的驱动力主要来自浓度梯度。

11. 溶体中析出第二相初期，第二相一般与母相保持非共格以降低应变能。 12. 相变过程中如果稳定相的相变驱动力大于亚稳相，一定优先析出。 13. 二元溶体的混合熵只和溶体的成分有关，与组元的种类无关。 14. 材料相变形核时，过冷度越大，临界核心尺寸越大。 15. 二元合金在扩散时，两组元的扩散系数总是相同。

二、简答题：（30分，每小题5分，任选6题，其余题目答出可酌情加分） 1．一般具有同素异构转变的金属从低温加热到高温时，其结构转变具有怎样的体积特征？试根据高温和低温下自由能与温度的关系解释此现象。有一种具有同素异构转变的金属和一般金属所具有的普遍规律不同，请指出是哪种金属？原因是什么？

2．试举出三种二元溶体模型；简要指出各溶体模型的原子相互作用能IAB的特征。根据下图a)中给出的成分－自由能曲线，在自由能曲线上指出稳定区，亚稳区和失稳区；并在图中b)简单汇出可能的溶解度曲线和失稳分解曲线，并标注出溶解度曲线和失稳分解曲线。

a)

b)

3．试利用给出的a,b两种溶体Gm-X图中化学势的图解示意图(下图)，指出两种溶体的扩散特征有什么不同；哪一种固溶体中会发生上坡扩散。

a) b)

4．向Cu中加入微量的Bi、As合金时所产生的效果完全不同。加入微量的Bi会使Cu显著变脆，而电阻没有显著变化，加入微量的As并不会使Cu变脆，但是能显著提高电阻。试根据下面的相图，从溶解度角度对上述现象加以解释。

5．将固溶体相和晶界相视为两相，如果已知上述两相的自由能－成分曲线，指出：采用什么方法或法则来确定两相的平衡成分？一般来说，两相的平衡溶质成分具有怎样的关系？

6．根据过饱和固溶体中析出第二相时的相平衡关系，简要说明第二相粒子粗化过程；从温度对长大速率和对扩散两个方面的影响，简要说明温度对粒子粗化的作用。

dr/dtDC()2VB11(1)()rRTrarDD0exp(Q)KT7．产生耗散结构(远离平衡态时的自组织现象)的四个必要条件是什么？

三、分析计算题：（40分）

1．合金通过冷却可发生奥氏体－马氏体相变，在奥氏体和马氏体自由能相等的温度（T0）下相变能否发生？是否可以在高于马氏体相变开始温度(Ms)通过其他手段诱发马氏体相变？从能量的角度(化学自由能、非化学自由能、驱动力)对上面二个问题进行简要分析。（8分）

2．已知纯钛 /平衡温度为882C, 相变焓为14.65 kJ/mol。估算 钛过冷到800C时，-Ti转变为 -Ti的相变驱动力（不计上述过冷温度范围对相变的焓变及熵变的影响）。（6分）

3．从过饱和固溶体（）中析出的第二相通常都是很小的粒子（），一般这些小粒子在表面张力的作用下会受到附加压应力的作用，写出附加压应力与表面张力和球形粒子尺寸的关系。在析出的初期，这小粒子一般与基体保持共格关系，简要分析其原因。（8分）

4．碳钢淬火马氏体在进行低温回火时，并不析出该温度下的稳定碳化物Fe3C(), 而是首先析出一种碳含量更高的亚稳碳化物Fe2.5C()，但是当回火较长时间时却观察不到碳化物。根据下图给出的各相自由能曲线分析其原因。（8分）

5．在25C和0.1MPa下，金刚石和石墨的标准熵分别为2.4 J/molK和5.7 J/molK, 标准焓分别为395 kJ/mol和394 kJ/mol, 密度分别为3.5 g/cm3和2.3 g/cm3, 碳的摩尔质量为12g。试计算石墨在此条件下转变为金刚石的相变驱动力；试根据自由能与体积和温度的关系（dG = VdP - SdT）计算室温下实现石墨－

金刚石转变所需临界压力（不计压力对石墨以及压力对金刚石造成的体积改变）。（10分）