材料热力学与动力学
热力学与动力学往年考试整理
判断题：1.由亚稳相向稳定相转变不需要推动力。
X2.压力可以改变材料的结构，导致材料发生相变。
V3.对于凝聚态材料，随着压力升高，熔点提高。
V4.热力学第三定律指出：在0K时任何纯物质的熵值等于零。
X5.在高温下各种物质显示相同的比热。
V6.溶体的性质主要取决于组元间的相互作用参数。
V7.金属和合金在平衡态下都存在一定数量的空位，因此空位是热力学稳定的缺陷。
V8.固溶体中原子定向迁移的驱动力是浓度梯度。
X9.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。
X10.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。
X1.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.合金的任何结构转变都可以通过应力驱动来实现。
3.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。
4.在高温下各种纯单质固体显示相同的等容热容。
5.二元溶体的混合熵只和溶体的成分有关，与组元的种类无关。
6.材料相变形核时，过冷度越大，临界核心尺寸越大。
7.二元合金在扩散时，两组元的扩散系数总是相同。
8.焓具有能量单位，但它不是能量，也不遵守能量守恒定律；但是系统的焓变可由能量表达。
9.对于凝聚态材料，随着压力升高，熔点提高,BCC—FCC转变温度也升高。
10.由于马氏体相变属于无扩散切变过程，因此应力可以促发形核和相变。
简答题：1．一般具有同素异构转变的金属从高温冷却至低温时，其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常用金属和一般金属所具有的普遍规律不同，请指出是那种金属？简要解释其原因？（8分）答：在一定温度下元素的焓和熵随着体积的增加而增大，因此疏排结构的焓和熵大于密排结构。
G=H-TS,低温下，TS项贡献很小，G主要取决于H。
而疏排结构的H大于密排结构，疏排结构的自由能G也大于密排结构。
所以低温下密排结构是稳定相。
高温下，G主要取决于TS项，而疏排结构的熵大于密排结构，其自由能G则小于密排结构。
材料中的热力学与动力学1
17
The state of a System at Equilibrium: -Defined by the collection of all macroscopic properties that are described by State variables (p, n, T, V, …)
or
∆U=q+w
− ������������= ������������
7
2th Law:
Define Entropy: - Puts restrictions on useful conversion of q to w - Follows from observation of a directionality to natural or spontaneous processes - Provides a set of principles for - determining the direction of spontaneous change - determining equilibrium state of system
11
3th Law:
Corollary:
It’s impossible to decrease the temperature of any system to T=0K in a finite number of steps.
12
These laws are Universally Valid, they cannot be circumvented.
-For a one-component System, all that is required is “n” and 2 variables. All other properties then follow.
材料热力学与动力学
一种观点： 平衡态热力学(体系的热力学力和流均为0)重
新命名为“热静力学（Thermostatics）
非平衡态热力学(涉及体系的热力学力和流)才 是名副其实的“热力学（Thermodynamics） －Kinetics
1.1.2 Kinetics
热力学（Thermodynamics） : 研究过程的可 能性。
织结构形成规律的最主要内容和最主要途径； 对焓、熵、自由能、活度等抽象的概念不再需要更多地加以注 意。
热力学的主要长处正在于它的抽象性和演绎性； 现代材料科学的每一次进步和发展都一直受到经典热力学和统
计热力学的支撑和帮助。
材料热力学的形成和发展正是材料科学走向成熟的标志之一 材料科学和材料热力学 材料科学的进步拉动材料热力学的发展； 材料热力学的发展又在为材料科学的进一步发展准备基础和条
从体系的具体结构去计算热力学函数。
统计热力学方法是从微观到宏观的方法，它补充了经典热力
学方法的不足，填平了宏观和微观之间难以逾越的鸿沟。
1.2 材料热力学和材料科学
材料热力学：From the〝energy〞point of view to discuss the equilibrium of matter。
1.1.5. 热力学的普适性
热力学的主要基础是热力学第一定律及第二定律，它们是人类 长期实践的经验总结。
热力学具有一定的普适性，它的概念和方法可以应用于一切科 学（物理学、化学、生物学）与工程领域，甚至宇宙学和社会 科学(包括宗教)。代表性的有工程热力学、化学热力学（物理化 学）以及材料热力学等。
宏观热力学的局限性: ������ 它只能回答过程变化的可能性，不能回答变化
材料热力学与动力学
《材料热力学与动力学》读书报告一、概述1、体系与环境体系是所研究的对象的总和，或者把所要研究的那部分真实世界的各物体想象的从其周围划分出来作为研究对象。
而环境是指与所研究对象（体系）有联系、有影响的部分，或指体系以外与之联系的真实世界。
体系与环境是相互依存和相互制约的一对，对于不同的研究内容，体系与环境也不同，如何划分体系与环境，完全根据所研究问题的性质来决定。
热力学体系与环境之间的相互联系是指它们之间所发生的物质交换和能量交换，而能量交换的形式有传热和做功。
根据体系与环境之间相互联系的不同，可以将体系分为三类：（1）开放体系：又称敞开体系，体系与环境之间，既有物质交换，又有能量交换；（2）封闭体系：体系与环境之间，只有能量交换，没有物质交换；（3）孤立体系：又称隔离体系，体系与环境之间，既没物质交换，也没有能量交换。
2、体系的性质根据体系的性质与体系中物质数量的关系，可将其分为两类：（1）容量性质：又称广延性质或广延量，其数值与体系中物质的数量有关，整个体系的某个容量性质的数值，为体系中各部分该性质数值的总和，即具有加和性。
如体积、质量、内能、热容、熵等。
（2）强度性质：又称内禀性性质或强度量，其数值与体系中物质的数量无关，没有加和性。
如温度、压力、密度等。
容量性质与强度性质虽有上述区别，但是容量性质有时也可以转化为强度性质，即容量性质除以总质量或总物质的量就成为强度性质。
如体积为容量性质，而摩尔体积为强度性质，热容为容量性质，而摩尔热容则为强度性质。
3、状态与状态函数热力学用体系所具有的宏观性质来描述其状态。
当体系的一系列性质，如质量、温度、压力、体积、组成以及焦聚状态等全部确定以后，这个体系就具有了一个确定的状态。
反之，体系状态确定后，其所具有的宏观性质均有确定值，与到达该状态前经历无关。
由于状态与性质之间的单值对应体系，体系的这些热力学性质又称做状态函数。
状态函数只与体系的始态与终态有关，与变化的具体历程无关。
锂电池的动力学和热力学
锂电池的动力学和热力学
锂电池是一种常见的充电式电池，广泛应用于移动设备、电动车辆和可再生能源储存等领域。
它的工作涉及动力学和热力学两个方面。
动力学：
在锂电池中，动力学关注电池中的电荷和离子在电极之间的传输速率以及电池的性能特征。
主要的动力学过程包括：
1.电化学反应速率：锂电池的工作涉及锂离子在正负极材料之间的传输，这涉及到电化学反应速率的控制。
反应速率决定了电池充放电的效率和性能。
2.离子扩散：锂离子在电解液中扩散，从一个电极传输到另一个电极。
扩散速率受电解液浓度、电极孔隙度等因素影响。
3.电荷传输：电池内部的电荷传输速率对电池性能至关重要。
电极和电解液之间的电荷传输速率受电极材料性质、电解液浓度等因素影响。
热力学：
在锂电池中，热力学关注电池内部的能量转化、热量生成以及反应的稳定性。
主要的热力学过程包括：
1.电池电势：电池电势是一个衡量电池能量转化的指标，涉及正负极之间的电位差。
正负极之间的电势差越大，电池的电能储存能力越高。
2.放电和充电过程的能量变化：锂电池在充电和放电过程中，能
量在化学反应中进行转化。
这涉及到电池的开路电势、工作电压等参数。
3.热效应：锂电池充放电过程中会伴随热量的生成或吸收。
热效应对电池的性能和安全性都有重要影响，因此需要进行热管理。
总之，锂电池的动力学和热力学都是决定其性能和稳定性的重要因素。
科学家和工程师通过研究这些过程来优化锂电池的设计、性能和使用寿命。
金属材料热力学和动力学
C、界面结构和熔融
若将 = 2，η/ν= 0.5同时代入（3-21），
则： Sf H ma/k 2k14k
T m
v 0.5
对一摩尔 ΔSf = 4k· N = 4R.由（3-21）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。
熔融熵越小，越容易成为粗糙界面。因
能之差ΔGV （负）和阻碍相变的液-固界面
能σ SL（正）：（如图）
GV GV VS
ASL
G3 4r3V G SV4r2SL
液相中形成球形晶胚时自由能变化
二、 形核率
形核率：是单位体积中、单位时间内形成 的晶核数目。
• 大小为临界半径r*的晶核处于介稳状态， 它们既可消散也可长大。只有r＞r*的晶核 才可成为稳定晶核。均质形核的形核率I 可表示为：
表明：固相表面曲率引起熔点降低。
（2）压力对物质熔点的影响：当系统的外界压力 升高时，物质熔点必然随着升高。当系统的压力 高于一个大气压时，则物质熔点将会比其在正常 大气压下的熔点要高。通常，压力改变时，熔点 温度的改变很小，约为10-2 oC/大气压。
对于像Sb, Bi, Ga 等少数物质，固态时的密 度低于液态的密度，压力对熔点的影响与 上述情况刚好相反。
三、溶质平衡分配系数K0 1、 K0的定义和意义： A、 定义：溶质平衡分配系数K0 定义为恒 温T*下固相合金成分浓度C∗S 与液相合金
成分浓度C∗L 达到平衡时的比值：
即： K0= C∗S / C∗L
假设液相线及固相线为直线，则:
K0= C∗S / C∗L =ml/ms=常数
B、 K0 的物理意义：对于K0＜1， K0 越小，
分析：
材料热力学与动力学
材料热力学与动力学
材料热力学与动力学是材料科学中非常重要的一部分，它涉及了材料的热力学
性质和动力学行为。
热力学是研究能量转化和能量传递规律的科学，而动力学则是研究物质内部结构和性能随时间、温度、应力等因素变化规律的科学。
本文将对材料热力学与动力学进行简要介绍和分析。
首先，热力学是研究物质内部能量转化和传递规律的科学。
在材料科学中，热
力学的研究对象包括材料的热容、热导率、热膨胀系数等热力学性质。
这些性质对材料的热稳定性、热传导性能等起着重要作用。
在材料的加工、制备和使用过程中，热力学性质的变化会直接影响材料的性能和稳定性。
因此，热力学的研究对于材料科学具有重要意义。
其次，动力学是研究物质内部结构和性能随时间、温度、应力等因素变化规律
的科学。
在材料科学中，动力学的研究对象包括材料的弹性模量、塑性变形行为、断裂韧性等动力学行为。
这些行为对材料的力学性能、耐久性等起着重要作用。
在材料的加工、使用和寿命预测过程中，动力学行为的变化会直接影响材料的性能和可靠性。
因此，动力学的研究对于材料科学也具有重要意义。
综上所述，材料热力学与动力学是材料科学中不可或缺的一部分，它涉及了材
料的热力学性质和动力学行为。
研究材料热力学与动力学，有助于深入理解材料的性能和行为规律，为材料的设计、制备和应用提供科学依据。
希望本文的介绍能够对材料热力学与动力学有所帮助，也希望能够引起更多人对这一领域的关注和研究。
2012硕士《材料热力学与动力学》复习练习题
Question 16
1） 指出各水平线的三相平衡反应 2） w(SiO2)=0.40 的系统(图中 R 点)从 1700C 冷却到 1000C 时的冷却曲线示意图。 注明每一阶段系统有哪些相？发生哪些 变化？指出各阶段的自由度数？ 3） w(SiO2)=0.10 的系统 12 kg，冷却到 1400C 时，液相中含 MnO 多少 kg？ 4） w(SiO2)=0.60 的系统 1500C 以哪些相存在？计算其相对 量。
4
2012 研究生《材料热力学与动力学》复习练习题（10 月 8 日交，手写完成）
Question 1 进行下述过程时，系统的ΔU、ΔH、ΔS和ΔG何者为零？ 1.1 非理想气体的卡诺循环； 1.2 隔离系统中的任意过程； 1.3 在100C，1大气压下1mol水蒸发成水蒸汽； 1.4 绝热可逆过程。 Question 2 1mol 理想气体等容升温到状态 3，求 Q,W,ΔU,ΔH。 若将理想气体先等压膨胀到状态 2，然后再等温（可 逆）压缩到状态 3，求 Q,W,ΔU,ΔH，并与直接从 1 到 3 的途径相比较。
Question 11 导出液相中 Bi 的活度系数的估算公式。
H m T a Bi exp ( 1) RT Tm
其中，熔化热为 H m 纯 Bi 的熔点为 Tm，R 为气体常数。
Question 12 对下列二元相图，指出其中的错误 (用相律说明原因)
2
Question 13
Trouton's定律为表示为:
1 (V1,T1) 2 (V2,T2) V
H vap 90Tb
单位J/mol, 其中Tb为沸点(K), 汞的沸点为630 K. 计算在
298K液态汞的分压. 用Troutons定律估算汞的汽化热.
(英文)材料热力学与动力学之扩散
G4
G1
G3
mA2
A
1
x0
mA1
distance
G
2-3
Diffusion and Free Energy
1 B A 2
mG A2
@ T0
mB1
G1
G3 G4
G2
mA1
A 1 1
mB2
2 2 B
Up-Hill Diffusion
2-4
Up-Hill Diffusion
1 B A 2
mB1
mB2
B
G
DGm
a y
2-6
2.1.2 Interstitial Mechanism
G
DGm
a y
2-7
2.1.3 Random Jump of Atoms
1
2 A
B
CB a CB1 CB2 = CB1 + a
C B y a C B y
y
2-8
CB1 + a CB1 1 2
C B y
Number of B atoms in plane : aCB1
t = t1
t = t2 (t2 > t1)
y
2-10
Since y(t ) 0 at any time, we calculate y 2 (t ) , we have: = d2
y 2 (t ) y(t Dt ) + Dy y 2 (t Dt ) + 2 y(t Dt ) Dy + Dy Dy : distance per jump of an atom, Dy = ± d y 2 (t Dt ) + d 2 =0 d y(t Dt ) Dy y(t Dt ) y(t Dt ) 0 N FORWARD BACKWARD 2 2 This means y (t ) will increase d if the atoms jump one time. If the jump frequency of the atoms is n, an atom will jump nt times from t = 0 to t = t, and then we have: y 2 (t ) d 2 nt Einstein has demonstrated that d 2n equals to 2D for one dimensional and to 4D and 6D for two- and three-dimensional case respectively.
材料中的热力学和热动力学
材料中的热力学和热动力学材料的热力学和热动力学领域有着广泛的应用和深刻的理论研究。
它们不仅是材料科学的基础，而且在理解和控制材料的各种物理和化学性质方面也起着至关重要的作用。
本文将探讨材料中的热力学和热动力学的相关知识。
热力学热力学研究的是物质的宏观热性质，在理论和应用方面都具有重要的地位。
热力学的基本概念包括能量、热量、温度、热容等。
其中，热容描述的是物质吸热或放热过程中温度和热量之间的关系，通常分为定压、定容热容。
材料的热容是材料在吸收热量时温度变化的能力，热容的大小与材料内部分子间的相互作用有关，包括材料的结构、晶格缺陷、密度、配位情况、元素化学组成等。
热力学还研究了材料与外界的热量交换。
通过热力学可以推导出热力学定律中的温度对时间的影响，它预测了材料的热响应行为，包括吸热效应和放热效应。
材料学家使用传统热力学理论，熟练掌握了材料的生成、分解、稳定性等方面的热力学知识。
例如，合金中化学反应速率、材料中的相变温度以及材料的热力学稳定性等。
这些都为实现材料的设计和生产提供了关键指标。
热动力学热动力学则有更多关于“动”的概念，除了能量和热量，它还包括材料中粒子的运动和速度等。
热动力学关注的是材料中小尺度物理、化学现象。
此时，涉及的热力学量就不再是宏观的能量和热量，而是分子和原子间的能量和运动方式。
例如，热力学中的熵就源于粒子相对位置的不确定性，即热分子自由运动而造成的混沌和无序的程度。
热动力学理论被用于研究材料中单个粒子的运动，例如扩散和形貌变化，如晶格缺陷和界面。
它还被用于研究物理化学性质，在生物学、统计力学和热力学等领域都具有潜在的应用价值。
结论材料中的热力学和热动力学是相互联系的，它们共同构成了材料科学中的一个重要领域。
热力学研究材料和外界之间的热力交换，而热动力学则关注材料中粒子的运动和速度，它们分别提供了关键的理论和工具，帮助我们更好地理解和控制材料的各种物理和化学性质。
材料热力学与动力学
材料热力学与动力学材料热力学与动力学是材料科学中两个重要的分支，它们研究物质的热力学和动力学特性，对于了解材料的性质、结构和行为有着重要的意义。
在本文中，我们将从基本概念、应用领域和实验方法等方面介绍材料热力学与动力学。
首先，让我们来了解一下材料热力学。
热力学是研究物质与能量之间转化关系的科学，热力学定律描述了物质和能量的行为规律。
热力学的研究对象是宏观系统，即大量粒子组成的系统。
材料热力学是将热力学原理应用于材料科学领域的一门学科，主要研究材料的热力学性质和热力学过程。
材料热力学研究的对象包括材料的热容、热导率、热膨胀、热稳定性等热力学性质，以及材料的相变、晶体结构、晶体缺陷、溶解度等热力学过程。
热力学定律可以用数学方程式描述物质和能量之间的关系，通过热力学定律的应用，我们可以预测材料在不同条件下的热力学性质和热力学过程。
材料热力学在材料科学中有着广泛的应用领域。
在材料制备过程中，我们可以利用热力学原理来优化材料的制备条件，提高制备效率和质量。
例如，通过热力学计算可以确定合适的温度和压力条件来合成具有特定结构和性能的材料。
在材料设计和优化中，热力学计算可以帮助我们预测材料的相变和稳定性，选择合适的材料和工艺条件。
材料动力学是研究物质的运动和变化过程的科学，它描述了物质在力的作用下的行为规律。
材料动力学研究的对象是微观粒子，在材料科学领域中主要研究材料的相变、晶体生长、晶体缺陷和扩散等动力学过程。
材料动力学的研究方法有实验方法和理论方法两种。
实验方法主要通过实验观察和测试来研究材料的动力学过程，例如通过晶体生长实验和扩散实验来研究材料的生长速度和扩散行为。
理论方法则通过建立数学模型和方程式来描述材料的动力学过程，并通过数值计算和模拟来预测材料的行为。
材料动力学在材料科学中也有着广泛的应用领域。
在材料制备过程中，我们可以利用动力学原理来控制和优化材料的生长速度和形貌，以实现期望的结构和性能。
例如，通过研究晶体生长动力学过程，可以选择合适的生长条件来制备高质量的晶体。
材料热力学与动力学005相变热力学与动力学2
4 4 V r 3 ( t ) 3 3 3
所以新相总体积
4 dV 3t 3 I vVa dt 3
相变开始阶段ห้องสมุดไป่ตู้
V V
4 dV 3t 3 I vV dt 3
所以
将V作为１，经过t时间产生新相的 体积分数为x, dx=dVß：
4 t x I v 3t 3dt 3 0
对于曲面晶界，R可由下式求得
P
8R 4R 2
2 R
1 1 1 1 ( ) R 2 R1 R2
R1,R2为曲面晶界的最大及最小半径
上式表明，由界面能提供的作用于单位面积晶界的驱动 力与界面能成正比，与界面曲率半径成反比，力的方向 指向曲率中心。对于平直界面， R 驱动力为零。 在三个不同的晶粒交点处（如A点)，为保持界 面张力平衡，即保持三个交角均为1200，晶界必将 凸向大晶粒一方，出现曲面晶界，在驱动力作用下， 小晶粒中原子越过界面向大晶粒迁移。
2 3 DV C a ( ) r 3 r03 t kt 2 RT
r 0 为粗化开始时颗粒的平均半径；r 为经过t时间粗化后颗粒的平均半径
3
3
考虑颗粒尺寸分布，Wagner公式： 2 9 DV C a ( ) 3 3
r r0 8 RT
t
五、晶粒长大 1.晶粒正常长大：在界面曲率驱动力下，晶粒发生均匀 长大的过程。 母相全部转变成新相后，还将通过晶界的迁移发 生晶粒的粗化。推动晶界迁移的驱动力来自界面能的 降低。50nm晶粒系统晶界能为104J/m3。
根据Gibbs-Thomson方程
Ca (r ) 2VB ln Ca () RTr
材料表面与界面 第五章 表界面热力学与动力学
Wc＝2γa 或 Wc＝2γb
3 ( a b ) 4
1 Wab ( a b ) 2
由上式可以看出，Wc＞Wab，即相同物质间的摩擦要大于 不同物质间的摩擦。
固体的表面自由能和表面张力 与液体相比： (1) 固体的表面自由能中包含了弹性能。表面张力在数值上不 等于表面自由能； (2) 固体的表面张力是各向异性的。 (3) 实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，决定固体表面 形态的主要是形成固体表面时的条件以及它所经历的历史。 (4) 固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。
如果在活动边框上挂一重物，使 重物质量W2与边框质量W1所产 生的重力F与总的表面张力大小 相等方向相反，则金属丝不再滑 动。
F 2 l
l 是滑动边的长度，因膜有两个面， 所以边界总长度为2l， 就是作用 于单位边界上的表面张力。
在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张 力，这种力垂直于表面的边界，指向液体方向并 与表面相切。 把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用 或 表示。 表面张力的单位是：
表面自由能定义
G ( )T , P ,nB As
其物理意义是在等温等压以及恒组成条件下,每增加 单位表面时系统吉布斯自由能的增加
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
又可称为表面Gibbs自由能
2
表面自由能的单位： J m
表面张力 （surface tension）
表面自由能 (surface free energy)
界面能
实验证明，界面能 γab约为 1/4～1/2(γa＋γb)。如果a、 b两物质 能相互溶解或能形成金属间化合物，其界面能较小，约为
1 ( a b ) 4
若a、b 两物质不能相互溶解，其界面能较大，约为 a、b为同一物质 a、b相互溶解 a、b不能相互溶解
材料热力学与动力学
工程热力学: 应用于机械 化学热力学: 应用于化学现象或与化学有关的物理现象 材料热力学: 在引述热力学基本原理的基础上，着重以 固体材料为例说明这些原理的应用, 实则 是化学热力学的引伸.
A theory is the more impressive, the greater the simplicity of its premises, the more different kinds of things it relates, and the more extended its area of applicability. Therefore the deep impression that classical thermodynamics made upon me. It is the only physical theory of universal content which I am convinced it will never be overthrown within the framework of applicability of its basic concepts. A. Einste
材料热力学
热力学（thermodynamics）最初因研究热和 机械功相互转化的关系而得名；进而发展成 从能量观点研究物质的热性质和热运动，以 及建立有关平衡的一般规律的科学。
它是研究物质体系的能量及其转换的科学。
Thermodynamics is the field of science that deals with energy and its transformations.
一种观点： 平衡态热力学(体系的热力学力和流均为零)重 新命名为“热静力学（Thermostatics）
材料热力学和动力学答案
Gibbs-Thomson effect:1.The Gibbs–Thomson Effect, in common physics usage, refers to variations in vaporpressure or chemical potential across a curved surface or interface. The existence of a positive interfacial energy will increase the energy required to form small particles with high curvature, and these particles will exhibit an increased vapor pressure.See Ostwald–Freundlich equation.2.More specifically, the Gibbs–Thomson effect refers to the observation that small crystalsare in equilibrium with their liquid melt at a lower temperature than large crystals. In cases of confined geometry, such as liquids contained within porous media, this leads to a depression in the freezing point / melting point that is inversely proportional to the pore size, as given by the Gibbs–Thomson equation.Why at a relatively lower temperature solute transport tends to become more effective via grain boundary than through the lattice or through dislocation? Please have an example material to clear.（为什么在一个相对较低的温度，溶质趋向于通过晶界的运输比晶格和位错运输更有效？请举一种材料作为例子详述）答：在多晶体中的扩散除了再晶粒点阵内部进行之外，还会沿表面、晶界、位错等缺陷部位进行。
【材料成型原理--铸造】第3章 液态金属凝固热力学与动力学
（2）生长过程：生长时，界面上突起的晶体将快 速伸入过冷液体中，一次晶臂甚至长出二次晶臂， 二次晶臂甚至长出三次晶臂，最终成为树枝晶。
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二、晶体微观长大方式
• 1、固液界面的微观结构 • （1）粗糙界面：界面固相一侧的点阵位置有50%左右
被固相原子占据，另一部分位置空着，其微观上是粗 糙的，高低不平，称为粗糙界面。
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4、共格对应关系
固体质点的某一晶面和晶核的原子排列规律相似， 原子间距离相近或在一定范围内成比例，就可能实现界 面共格对应，该固体质点就可能成为形核的衬底。这种 对应关系叫共格对应关系。
共格对应关系用点阵失配度δ衡量，即：
as ac 100%
ac
式中，as和ac分别为夹杂物、晶核原子距离。
• （3）非平衡凝固：不仅大范围内溶质的扩散不充分， 即使固液界面附近溶质原子也不能充分扩散，凝固界面 上溶质的迁移远离平衡状态，称非平衡凝固。如快速凝 固、激光重熔等，冷速可达106℃/s以上。
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第二节 均质形核
生核方式：（1）均质形核； （2）非均质形核（异质形核）。
• 1、概念 均质形核：依靠液态金属内部自身的结构自发地形核。
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• 3、影响形核率的因素 （1）过冷度：过冷度越大，形核率越大； （2）界面： ➢ 1）夹杂物基底与晶核润湿，形核率大； ➢ 2）界面形态也有影响，凹形基底的夹杂物，形核需原
子数最少，形核率大。 ➢ 3）界面越多，形核率越大。
不同曲面衬底上形核示意图
（3）液态金属的过热及持续时间：液态金属过热，异质 核心熔化或表面失去活性，形核率降低。
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应用
• 形核剂：能作为生核衬底，促进形核的外加固体质点叫 形核剂。选形核剂的依据：
材料热力学与动力学动力学部分复习
3、速率方程的积分形式
A：一级反应 反应速率与反应物浓度一次方成正比的反应称一级反应(first order reaction)。如： AB
dc A kcA dt
dcA c A k dt
dc A kcA dt
t dc A k dt C A,0 c 0 A CA
2、化学反应的速率方程 表示反应速率与参加反应的各种物质浓度及影响反应的各种因 素之间的关系，也称为化学反应的动力学方程。 元反应：
aA bB lL mM
V ∝ caAcbB 或 V=KcaAcbB
（质量作用定律） 反应速率
K：反应速率常数(rate constant of reaction)或反应比速。 K 物理意义：各反应物质皆为单位浓度时的反应速率。 影响K值因素：反应类型、温度、溶剂、催化剂等。
（1）计算此反应的活化能？ （2）欲使A在10min内转化率达到90%，反应温 度应控制在多少？
二、相变过程动力学
1、形核率 单位时间单位体积母相中形成的新相晶核数，用 I表示 （1）均匀形核
G * Q I B exp( ) exp( ) kT kT
(2)成核速率随温度变化的关系
2 3 T 64 1 * * m G As 3 (H m ) 2 (T ) 2 3
c
A,0
dy kdt yc B,0 y
或
c A,0
dy 1 d y kdt c B,0 c B,0 y c A,0 y
由t = 0到t = t积分上式，得
c A0
c B,0 c A,0 y 1 ln kt c B,0 c A,0 c B,0 y
活化能Ea： 为了能发生化学反应，普通分子（具有平均能量的分子）必须吸 收足够能量先变成活化分子 ，在此变化过程中所要吸收的最小
材料热力学与动力学复习资料+课后习题
材料热力学与动力学（复习资料）一、 概念•热力学基本概念和基本定律1. 热0：一切互为热平衡的物体，具有相同的温度。
2. 热1： - 焓：恒压体系→吸收的热量=焓的增加→焓变等于等压热效应 - 变化的可能性→过程的方向；限度→平衡3. 热2：任何不受外界影响体系总是单向地趋向平衡状态→熵+自发过程+可逆过程→隔绝体系的熵值在平衡时为最大→熵增原理（隔离体系）→Gibbs 自由能：dG<0，自发进行（同T ，p ： ）4. 热3：- (H.W.Nernst ，1906)： - (M ．Plank ，1912)：假定在绝对零度时，任何纯物质凝聚态的熵值为零S*(0K)=0 - (Lewis ，Gibson ，1920)：对于过冷溶体或内部运动未达平衡的纯物质，即使在0K 时，其熵值也不等于零，而是存在所谓的“残余熵” - Final ：在OK 时任何纯物质的完美晶体的熵值等于零• 单组元材料热力学1. 纯金属固态相变的体积效应- 除非特殊理由，所有纯金属加热固态相变都是由密排结构（fcc ）向疏排结构（bcc ）的转变→加热过程发生的相变要引起体积的膨胀→BCC 结构相在高温将变得比其他典型金属结构（如FCC 和HCP 结构）更稳定（除了Fe ）- 热力学解释1→G ：温度相同时，疏排结构的熵大于密排结构；疏排结构的焓大于密排结构→低温：H ；高温：TS - 热力学解释2→ Maxwell 方程： - α-Fe →γ-Fe ：磁性转变自由能- Richard 规则：熔化熵-Trouton 规则：蒸发熵 （估算熔沸点）2. 晶体中平衡状态下的热空位- 实际金属晶体中空位随着温度升高浓度增加，大多数常用金属（Cu 、Al 、Pb 、W 、Ag …）在接近熔点时，其空位平衡浓度约为10-4；把高温时金属中存在的平衡空位通过淬火固定下来，形成过饱和空位状态，对金属中的许多物理过程（例如扩散、时效、回复、位错攀移等）产生重要影响3. 晶体的热容- Dulong-Petit ：线性谐振动子+能量均分定律→适应于较高温度及室温附近，低温时与实验不符U Q W∆=-dH PV U d Q =+=)(δRd Q S Tδ=()d dH TdS G H d TS =--=00lim()lim()0p T T T GS T→→∂∆-=∆=∂()()V T T P V V S ∂∂=∂∂//()()()T T T V P V V S T V H ∂∂+∂∂=∂∂///RK mol J T H S mm m ≈⋅≈∆=∆/3.8/K mol J T H S b v v ⋅≈∆=∆/9.87/3V V VQ dU C RdT dT δ⎛⎫⎛⎫=== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭-Einstein(固体振动热容理论)：晶体总共吸收了n 个声子，被分配到3N 个谐振子中；不适用于极低温度，无法说明在极低温度时定容热容的实验值与绝对温度的3次方成比例。
材料热力学与动力学
材料热力学与动力学材料热力学与动力学是研究材料内部结构与性能变化规律的重要学科，它涉及了材料的热力学性质和动力学过程。
热力学是研究物质能量转化和物质间相互作用的科学，而动力学则是研究物质内部结构和性能变化的规律。
本文将从热力学和动力学两个方面，介绍材料热力学与动力学的基本概念和相关知识。
首先，我们来介绍材料热力学的基本概念。
材料的热力学性质是指材料在不同温度、压力和化学环境下的物理性质和化学性质。
热力学研究的主要内容包括热力学平衡、热力学过程和热力学函数等。
热力学平衡是指系统内各部分之间达到平衡状态，不再发生宏观变化的状态。
热力学过程是指系统在外界作用下发生的能量和物质交换过程。
热力学函数是描述系统热力学性质的函数，如内能、焓、熵等。
通过研究材料的热力学性质，可以揭示材料的稳定性、相变规律和热力学过程等重要信息。
其次，我们来介绍材料动力学的基本概念。
材料的动力学是指材料内部结构和性能随时间、温度和应力变化的规律。
动力学研究的主要内容包括材料的弹性和塑性行为、断裂和疲劳行为、相变动力学等。
弹性是指材料在受力后能够恢复原状的性质，而塑性是指材料在受力后会发生永久形变的性质。
断裂是指材料在受到外部力作用下发生破裂的现象，疲劳是指材料在受到交变载荷作用下发生疲劳破坏的现象。
相变动力学是指材料在温度或压力变化下发生相变的规律。
通过研究材料的动力学性质，可以揭示材料的强度、韧性、疲劳寿命和相变动力学等重要信息。
综上所述，材料热力学与动力学是研究材料内部结构与性能变化规律的重要学科，它涉及了材料的热力学性质和动力学过程。
通过研究材料的热力学性质和动力学性质，可以揭示材料的稳定性、相变规律、强度、韧性、疲劳寿命等重要信息，为材料设计、制备和应用提供科学依据。
希望本文能够帮助读者更好地了解材料热力学与动力学的基本概念和相关知识，促进材料科学的发展和应用。
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材料热力学与动力学
参考书目：1.<<Atkins’ physical chemistry>> Peter Atkins , Julio de Paula .Oxford University Press 2002.
2.<<Foundation of materials science and engineering>> William F.Smith 2006.
3.<<Materials Science and Engineering An introduction>>WilliamD.Callister2009.
※1.Cp为什么是个常数？（材料结构、德拜公式、量子力学）[注：此题老师不止两次提到，有可能是考题哦]
练习题1
1.How to get microstructure picture and how to understand them.
1）扫描电子显微镜（SEM），通过细聚焦电子束在样品表面扫描激发出的各种物理信
号来调制成像的显微分析技术。
应用：形貌分析（显微组织、断口形貌、三维立体形态）
2）透射电子显微镜（TEM），是采用透过薄膜样品的电子束成像来显示样品内部组织
形态与结构。
应用：形貌分析（显微组织和晶体缺陷）
3）X射线衍射（XRD），利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的晶体结构、晶
格参数、晶体缺陷（位错等）、不同结构相的含量及内应力的方法。
应用：点阵常数的测定、晶体对称性的测定
4）电子探针（EPMA）利用聚焦的很细的电子束打在样品的微观区域，激发出样品该
区域的特征X射线。
应用：微区毫米范围显微结构分析。
纵坐标表示衍射强度，横坐标2θ表示衍射方向(衍射线在空间分布的方位)
2.From the OM （Optics Microscope光学显微镜）pictures of a kinds of steel and an
ordinary piece of china ,you can derive what kinds of information ,please list that and
make a short discussion .
钢铁材料的显微组织根据含碳量的不同各有不同，相同含碳量在不同温度下的组织
也有所不同。
含碳量为0.77％的钢称为共析钢；含碳量低于0.77％的钢称为亚共析
钢；含碳量为0.77～2.11％的钢称为过共析钢；含碳量高于2.11％的称为铸铁。
不
同含碳量和合金成分的钢或铸铁，其显微组织各不相同。
同一成分的钢或铸铁，经
过不同的金属热处理后也具有不同的显微组织。
不同的显微组织具有不同的性能，
因此钢铁可以通过热处理获得不同的性能。
钢铁显微组织分析是研究钢铁和评定钢铁制品质量的重要手段。
普通陶瓷材料经过光学显微镜观察表面有气孔、金相、玻璃相
4.How to link microstructure with processing?
5.In your opinion ,how to deal with the solid state materials microstructure evolution is helpful to you work?
细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。
方法：增加过冷度、变质处理、振动与搅拌、对于冷变形的金属可以通过控制变形度、退火温度来细化晶粒。
固溶强化：融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。
这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。
加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。
又称冷作硬化。
产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。
加工硬化的程度通常用加工后与加工前表面层显微硬度的比值和硬化层深度来表示。
第二相强化：复相合金与单相合金相比，除基体相以外，还有第二相存在。
当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用，这种强化作用称为第二相强化。
第二相强化的主要原因是它们与位错间的交互作用，阻碍了位错运动，提高了合金的变形抗力。
时效强化：合金元素经固溶处理后，获得过饱和固溶体。
在随后的室温放置或低温加热保温时，第二相从过饱和固溶体中析出，引起强度，硬度以及物理和化学性能的显著变化，这一过程被称为时效。
6.For a piece of Alumina ceramics（氧化铝陶瓷）,using which ways to get needed microstructure picture and from that to understand its structure development ,property specialty and control factors ,etc.
金相显微镜，扫描电镜观察组织形貌。
电熔刚玉由于经过熔融工艺加工过程，因此一次晶体较大，一般较烧结a_A1203大几倍甚至几百倍;硬度高;脆性大;晶体边界尖锐。
烧结a-A1203具有晶界圆滑及高硬
度的特点，它的颗粒由大量细小微晶团聚而成。
由烧结法制备的a_A1203粉体，其显微结构随烧结温度、添加剂、气氛等条件的改变而改变。
Advice Reading
1.Considering standard china and its processing.
从毛坯到产品，陶瓷材料需要二次加工，但由于硬脆特性，陶瓷的加工性比多属材料困难得多，因此需要开发优质高效的陶瓷加工新工艺新技术。
先进陶瓷的加工，涉及到陶瓷材料的性能，加工技术，检测，连结和涂覆等许多方面。
2.Discuss about the formation process of the tricalcium silicate (硅酸三钙) .
3.Review about the iron-carbon phase and its application(7个区域).
铁碳合金相图是研究钢铁的重要理论基础，它反映了平衡状态下铁碳合金的成分、温度、组织三者之间的关系。
铁碳相图是制定各种热加工及热处理工艺的依据，利用它还可以分析钢铁材料的性能，从而作为选材的理沦根据，它是学习铁碳合金的一个重要工具。
铁碳相图的应用可归纳为以下几个方面:
第一个方面（1.估算碳钢和铸铁铸造熔化加热温度）
是对已确定了化学成分的铁碳合金.参照铁碳相图选择热加工工艺方法。
例如45钢在800℃以上温度范围内处于塑性极好的单相奥氏体区，
故它可在此温度以上的区域进行锻造加工，以获得所需要的外观形态及内部组织形态。
而含碳量在2.11 %以上的铁碳合金，无论加热到什么温度也无法获得塑性良好的单相组织状态。
因此，无法使用锻造加工方法进行成型加工，然而，它们的熔点却明显低于含碳量为2.11%以下的其它合金。
因此，它们更适宜采用铸造加工工艺。
第二方面（2.估算碳钢锻造加热温度）
在选材的过程中，可通过对不同化学成分的合金在室温时组织结构的分析，大致获得这些不同化学成分的合金在性能上的差异，然后再依据零件的服役条件和性能要求选择适宜的材料。
例如，铁碳合金随着含碳量的提高，渗碳体的数量不仅越来越多，而且它的形态也在逐渐变化，进而导致机械性能规律性变化。
第三方面（3.估算热处理加热温度）
是铁碳相图与热处理工艺有着十分密切的联系。
例如，淬火是强化钢材的重要手段之一。
它是通过使过冷奥氏体转变为马氏体而实现的。
结合铁碳相图，我们便可知道为什么不同的钢材(特别是指含碳量不同的钢材)应选择不同的淬火加热温度，亚共析钢的正确淬火加热温度应为Ac3以上30 – 50℃。
（4.确定碳含量己知的合金在仟意温度下的平衡状态）
（5.分析碳钢和铸铁的平衡相变过程及室温平衡组织）
（1）由铁碳相图可知，含碳量小于2.11%的铁碳合金在较高温度下可得到单相奥氏体，即AESG 区，利用奥氏体的塑性好、变形抗力小，碳钢锻造时易于成形。