第四章 固体中原子及分子的运动

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固体中原子及分子的运动课件

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固体中原子及分子的运 件
• 固体中原子及分子的运动形式 • 原子及分子的热运动 • 固体中原子及分子的扩散现象 • 原子及分子的光吸收与发射 • 原子及分子的电子能级跃迁
01
原子与分子构
原子的基本结构
01
02
03
原子核
原子中心有一个带正电荷 的原子核,由质子和中子 组成。
电子
围绕原子核运动的带负电 荷的电子,数量与质子数 相等。
只不过
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谱带组成。
分子的光吸收与发射
分子的振动与转动
分子具有特定的振动和转动模式,这些模式的能量变化会导致分 子对特定频率的光的吸收和发射。

4.2第四章 固体中原子及分子的运动

4.2第四章  固体中原子及分子的运动
414置换式固溶体中的扩散互扩散与柯肯达尔效应如果将一块钢和一块纯铁焊接在一起由于两种材料的碳含量不相同碳原子将从钢中向纯铁中不断扩散碳是溶解在铁晶格的间隙中形成的间隙固溶体这种迁移不会引起原来钢或纯铁基体中晶格数量和位置的变化这属于一种间隙扩散类型
4.2 扩散的微观理论
4.2.1 随机行走与扩散
因为 所以
(H U V P)
代入D=d2P
可得:
令 则
扩散系数与温度之间的关系
式中Do称为扩散常数,只与扩散机制和材料有关; ΔU是间隙扩散时溶质原子跳跃所需额外的热力学 内能,该迁移能等于间隙原子的扩散激活能Q。
空位扩散机制
扩散机制:在置换固溶体中,由于晶格中存在空位,空位周围 的原子(包括溶剂和溶质原子)由热运动可能进入空位,即原子 利用空位最后达到迁移,当存在化学位梯度时,溶质原子就会 发生定向的扩散迁移,这是置换原子扩散的主要方式。 扩散进行有两个要求条件,一是有空位存在,二是空位周围的 原子从原来的平衡位置进入空位也要一定的激活能。
晶体缺陷对扩散起着快速通道的作用称为短 路扩散。在实际生产中这几种扩散同时进行, 并且在温度较低时,所起的作用更大。
4.3 扩散机制
1、交换机制
直接交换机制:相邻的两个原子互换 了位置。
然而由于这种正常位置上的原子对调 位置需要克服的能垒很高,引起附近 点阵原子的强烈畸变,因而无论在理 论上或是实验上,它都是失败的。
后来把这种扩散偶中由于扩散系数不同而引起对接面移动 的现象称为柯肯达尔效应。
发生柯肯达尔效应原因:溶质和溶剂原子扩散速率不同。
标记漂移产生的示意图
达肯方程
标志物
在柯肯达尔效应中,假定标记面的 移动速度计为vm,相对观察者,原 子的扩散可进行如下的分析。

10《材料科学基础》-第四章固体中原子及分子的运动01表象理论

10《材料科学基础》-第四章固体中原子及分子的运动01表象理论

若D与浓度无关,则: ∂ρ ∂ρ =D ∂t ∂x
2 2
对三维各向同性的情况:
∂ρ ∂ρ ∂ρ ∂ρ = D( + + ) ∂z ∂t ∂x ∂y
2 2 2 2 2 2
菲克定律描述了固体中存在浓度 梯度时发生的扩散,称为化学扩散 当扩散不依赖于浓度梯度,仅由 热振动而引起时,则称为自扩散
定义:自扩散系数 Ds= ∂ρ →0
4.2 扩散的热力学分析
4.2.1 扩散驱动力
菲克第一定律描述了物质从高浓度向低浓度扩散的现象, 菲克第一定律描述了物质从高浓度向低浓度扩散的现象, 扩 散的结果导致浓度梯度的减小,使成份趋于均匀。 散的结果导致浓度梯度的减小,使成份趋于均匀。
有些扩散是由低浓度处向高浓度处进行的, 有些扩散是由低浓度处向高浓度处进行的, 如固溶体中某些 偏聚,这种扩散被称为“上坡扩散” 偏聚,这种扩散被称为“上坡扩散”。
扩散是固体中原子迁移的唯一方式 物质的传输方式
气体: 扩散+对流
固体: 扩散
离 子 键
液体: + 扩散+对流
金属
陶瓷
高分子
扩散机制不同
本章内容
• 扩散的表象理论 • 扩散的原子机制 • 影响扩散的因素 • 陶瓷材料中扩散的主要特征 • 高分子材料中分子运动的规律
4. 1 表象理论
扩散(diffusion): 在一个相内因分子或原子的热激活运动导 致成分混合或均匀化的分子动力学过程
3.空位机制 . 晶体中存在着空位,空位的存在使原子迁移更容易。 晶体中存在着空位,空位的存在使原子迁移更容易。通过 空位,原子从晶格中一个位置迁移到另一个位置实现交换。 空位,原子从晶格中一个位置迁移到另一个位置实现交换。

固体中原子及分子的运动

固体中原子及分子的运动

同理 式中
即互扩散系数的表达式
组元1和组元2的扩散系数D1和D2 x1(=ρ1/ρ)和x2(=ρ2/ρ)分别表示组元1和2 的摩尔 分数,且x1+x2=1
4.1.5 扩散系数D与浓度相关时的求解
对于无限长的扩散偶分析,经过变量代换法的数 学处理可得
ρ-x曲线上ρ= ρ1处斜率的倒数 扩散系数的浓度依存
Байду номын сангаас

所以
置换型扩散和自扩散的扩散系数
扩散激活能 置换扩散或自扩散所需能量比 间隙扩散的大,多空位形成能
阿累尼乌斯(Arrhenius)方程
4.4 扩散激活能——如何从实验角度测得激活能
取对数 即求斜率 -Q/R
4.5 无规则行走与扩散距离 原子跳跃具有随机性——无规行走——醉步模型
求模
得到跳跃距离
在固溶体中的置换扩散或纯金属中的自扩散,原子 的迁移主要是通过空位扩散机制。
置换扩散和自扩散能=迁移能+相邻空位形成能 ----------------------------------------------------------------------
空位周围原子所占的分数应为
具有跳跃条件的原子分数
2)按扩散方向分: 由高浓度向低浓度区的扩散叫顺扩散,又称下坡扩散 由低浓度向高浓度区的扩散叫逆扩散,又称上坡扩散
3)按扩散路径分: 在晶粒内部进行的扩散称为体扩散 在表面进行的扩散称为表面扩散 沿晶界进行的扩散称为晶界扩散 表面和晶界扩散比体扩散快得多,也称为短路扩散
在气体和液体中,除扩散外,物质的传递还可以通过 对流等方式进行 在固体中,扩散往往是物质传递的唯一方式。
三七黄铜与纯铜都是fcc晶体,晶格常数分别为0.368 nm 和0.361 nm Mo丝向黄铜一侧移动,且在Cu-Zn系的互扩散中“Zn原 子比Cu原子扩散得更快”

固体中原子及分子的运动

固体中原子及分子的运动

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7.1.4 柯肯达尔效应
柯肯达尔实验描述 •黄铜与铜构成扩散偶; •钼丝仅为参照物,不扩散; •黄铜熔点低于铜; •扩散组元为铜和锌; •铜和锌构成置换式固溶体; •扩散在785º C进行。 柯肯达尔实验结果
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实验结果的分析讨论
•假设铜、锌的扩散系数相等,相对钼丝进行等原子的交 换,由于锌的原子尺寸大于铜,扩散后外围的铜点阵常 数增大,而内部的黄铜点阵常数缩小,使钼丝向内移; •如果点阵常数的变化是钼丝移动的唯一原因,那么移动 的距离只应该有观察值的十分之一左右; •实验结果只能说明,扩散过程中锌的扩散流要比铜的扩 散流大得多,这个大小的差别是钼丝内移的主要原因; •而且还发现标志面移动的距离与时间的平方根成正比; •在Cu-Sn, Cu-Ni, Cu-Au, Ag-Au, Ag-Zn, Ni-Co, Ni-Cu,Ni-Au等置换式固溶体中都会发生这种现象; •标志物总是向着含低熔点组元较多的一方移动。相对而 言,低熔点组元扩散快,高熔点组元扩散慢。正是这种 不等量的原子交换造成了克根达耳效应。
所以有:
- U -Q D = D0 exp( ) = D0 exp( ) kT kT
式中D0为扩散常数;U是间隙扩散时溶质原子 跳跃所需额外的热力学内能,等于间隙原子的扩 散激活能Q。 上述式的扩散系数遵循阿累尼乌斯(Arrhenius) 方程:。
Q D = D0 exp( ) RT
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扩散过程的分类
•按浓度:互扩散,自扩散 •按方向:顺扩散,逆扩散 •按路径:体扩散,表面扩散,晶界扩散
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怎样研究扩散
•表象理论:
•原子理论:

材料科学基础复习题及答案

材料科学基础复习题及答案

单项选择题:(每一道题1分)第1章原子结构与键合1.高分子材料中的C-H化学键属于。

(A)氢键(B)离子键(C)共价键2.属于物理键的是。

(A)共价键(B)范德华力(C)氢键3.化学键中通过共用电子对形成的是。

(A)共价键(B)离子键(C)金属键第2章固体结构4.面心立方晶体的致密度为 C 。

(A)100% (B)68% (C)74%5.体心立方晶体的致密度为 B 。

(A)100% (B)68% (C)74%6.密排六方晶体的致密度为 C 。

(A)100% (B)68% (C)74%7.以下不具有多晶型性的金属是。

(A)铜(B)锰(C)铁8.面心立方晶体的孪晶面是。

(A){112} (B){110} (C){111}9.fcc、bcc、hcp三种单晶材料中,形变时各向异性行为最显著的是。

(A)fcc (B)bcc (C)hcp10.在纯铜基体中添加微细氧化铝颗粒不属于一下哪种强化方式?(A)复合强化(B)弥散强化(C)固溶强化11.与过渡金属最容易形成间隙化合物的元素是。

(A)氮(B)碳(C)硼12.以下属于正常价化合物的是。

(A)Mg2Pb (B)Cu5Sn (C)Fe3C第3章晶体缺陷13.刃型位错的滑移方向与位错线之间的几何关系?(A)垂直(B)平行(C)交叉14.能进行攀移的位错必然是。

(A)刃型位错(B)螺型位错(C)混合位错15.在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子,这样的缺陷称为。

(A)肖特基缺陷(B)弗仑克尔缺陷(C)线缺陷16.原子迁移到间隙中形成空位-间隙对的点缺陷称为(A)肖脱基缺陷(B)Frank缺陷(C)堆垛层错17.以下材料中既存在晶界、又存在相界的是(A)孪晶铜(B)中碳钢(C)亚共晶铝硅合金18.大角度晶界具有____________个自由度。

(A)3 (B)4 (C)5第4章固体中原子及分子的运动19.菲克第一定律描述了稳态扩散的特征,即浓度不随变化。

(A)距离(B)时间(C)温度20.在置换型固溶体中,原子扩散的方式一般为。

《材料科学基础》第四章习题.doc

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《材料科学基础》第四章固体中原子即分子的运动1.名词:扩散扩散互扩散扩散系数互扩散系数扩散激活能扩散通量上坡扩散间隙扩散空位扩散原子迁移界面扩散表面扩散柯肯达尔效应反应扩散稳态扩散2.设有一条内径为30mm的厚壁管道,被厚度为0.1mm的铁膜隔开,通过管子的一端向管内输入氮气,以保持膜片一侧氮气浓度为1200mol/m)而另一侧的I气浓度为100 mol/m3,如在700C下测得通过管道的氮气流量为2.8xl0-8mol/s,求此时氮气在铁中的扩散系数。

解:通过管道中铁膜的氮气通量为J = J* ‘°——=4.4x 10 "mol/(m'・s)jx (0.03)2膜片两侧氮浓度梯度为:一萱二'2()()-l()() = U x]0_7m〃〃秫Ax 0.0001据Fick's First Law : J = -D^- n。

= ------------ -- = 4xl0-,,m2Isox Ac / Ax3.有一-硅单晶片,厚0.5mm,其一端面上每10’个硅原子包含两个像原子,另一个端面经处理后含镣的浓度增高。

试求在该面上每个硅原子须包含儿个像原子,才能使浓度梯度成为2xl°26atoms/m3,硅的点阵常数为0.5407nm。

4. 950°C下对纯铁进行渗碳,并希望在0.1mm的深度得到Wi(C)=0.9%的碳含量。

假设表面碳含量保持在IA/2(C)=1.20%,扩散系数为D -Fe=1010m2/s,计算为达到此要求至少要渗碳多少时间。

5.在-•个富碳的环境中对钢进行渗碳,可以硬化钢的表面。

己知在1000°C下进行这种渗碳热处理,距离钢的表面l-2mm处,碳含量从x= 5%减到x=4%。

估计在近表面区域进入钢的碳原子的流人量J (atoms/m2s)o (y・Fe在1000°C的密度为7.63g/cm',碳在y-Fe • | •的扩散系数D o=2.0xl0'5m2/s,激活能Q= 142kJ/mol)o£> = 2X10-11 折公8.为什么钢铁零件渗碳温度般要选择在Y ・Fe 相区中进行?若不在Y 相区进6.有两种激活能分别为Qi = 83.7kJ/mol 和Q2 = 251kJ/mol 的扩散反应。

《材料科学基础》第四章习题

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《材料科学基础》第四章 固体中原子即分子的运动1.名词:扩散 自扩散 互扩散 扩散系数 互扩散系数 扩散激活能 扩散通量 上坡扩散 间隙扩散 空位扩散 原子迁移 界面扩散 表面扩散 柯肯达尔效应 反应扩散 稳态扩散2. 设有一条内径为30mm 的厚壁管道,被厚度为0.1mm 的铁膜隔开,通过管子的一端向管内输入氮气,以保持膜片一侧氮气浓度为1200mol/m 3,而另一侧的氮气浓度为100 mol/m 3,如在700℃下测得通过管道的氮气流量为2.8×10-8mol/s ,求此时氮气在铁中的扩散系数。

解:通过管道中铁膜的氮气通量为 )/(104.4)03.0(4108.22424s m mol J ⋅⨯=⨯⨯=--π膜片两侧氮浓度梯度为:m mol x c /101.10001.010012007-⨯=-=∆∆- 据Fick ’s First Law : s m xc J D x c D J /104/211-⨯=∆∆-=⇒∂∂-=3. 有一硅单晶片,厚0.5mm ,其一端面上每107个硅原子包含两个镓原子,另一个端面经处理后含镓的浓度增高。

试求在该面上每107个硅原子须包含几个镓原子,才能使浓度梯度成为2×1026 atoms/m 3,硅的点阵常数为0.5407nm 。

4. 950℃下对纯铁进行渗碳,并希望在0.1mm 的深度得到w 1(C)=0.9%的碳含量。

假设表面碳含量保持在w 2(C)=1.20%,扩散系数 为D ɤ−Fe=10-10m 2/s ,计算为达到此要求至少要渗碳多少时间。

5. 在一个富碳的环境中对钢进行渗碳,可以硬化钢的表面。

已知在1000℃下进行这种渗碳热处理,距离钢的表面1-2mm 处,碳含量从x = 5%减到x =4%。

估计在近表面区域进入钢的碳原子的流人量J (atoms/m 2s )。

(γ-Fe 在1000℃的密度为7.63g/cm 3,碳在γ-Fe 中的扩散系数D o =2.0×10-5 m 2/s ,激活能Q =142kJ/mol)。

第四章固体中原子及分子的运动4.1表象理论4.1.1菲克第一定律当...

第四章固体中原子及分子的运动4.1表象理论4.1.1菲克第一定律当...

第四章 固体中原子及分子的运动4.1表象理论4.1.1菲克第一定律当固体中存在着成分差异时,原子将从浓度高处向浓度低处扩散。

如何描述原子的迁移速率,阿道夫·菲克(Adolf Fick )对此进行了研究,并在1855年就得出:扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比,即dxd D J ρ-= 该方程称为菲克第一定律或扩散第一定律。

式中,J 为扩散通量,表示单位时间内通过垂直于扩散方向x 的单位面积的扩散物质质量,其单位为kg/(m 2s);D 为扩散系数,其单位为m 2/s ;而ρ是扩散物质的质量浓度,其单位为kg/m 3。

式中的负号表示物质的扩散方向与质量浓度梯度方向相反。

对扩散第一定律的理解:⑴扩散第一方程是被大量实验所证实的公理,是扩散理论的基础。

⑵浓度梯度一定时,扩散仅取决于扩散系数,扩散系数是描述原子扩散能力的基本物理量。

⑶在浓度均匀的系统中,尽管原子的微观运动仍在进行,但是不会产生宏观的扩散现象。

⑷扩散第一定律只适合于描述稳态扩散,即在扩散过程中系统各处的浓度不随时间变化。

⑸扩散第一定律不仅适合于固体,也适合于液体和气体中原子的扩散。

4.1.2菲克第二定律稳态扩散的情况很少见,有些扩散虽然不是稳态扩散,只要原子浓度随时间的变化很缓慢,就可以按稳态扩散处理。

但是,实际中的绝大部分扩散属于非稳态扩散,这时系统中的浓度不仅与扩散距离有关,也与扩散时间有关。

对于这种非稳态扩散可以通过扩散第一定律和物质平衡原理两个方面加以解决。

图4-1 原子通过微元体的情况)(x xD t ∂∂∂∂-=∂∂ρρ 扩散系数一般是浓度的函数,当它随浓度变化不大或者浓度很低时,可以视为常数,可简化为22x ∂∂-=∂∂ρρt 该方程称为菲克第二定律或扩散第二定律。

图原子通过微元体的情况4.1.3扩散方程的解1.两端成分不受扩散影响的扩散偶(无限长扩散偶的扩散)将两根质量浓度分别是ρ1和ρ2,横截面积和浓度均匀的金属棒沿着长度方向焊接在一起,形成无限长扩散偶,然后将扩散偶加热到一定温度保温,考察浓度沿长度方向随时间的变化。

胡赓祥《材料科学基础》(第3版)配套题库【名校考研真题】第4章~第6章 【圣才出品】

胡赓祥《材料科学基础》(第3版)配套题库【名校考研真题】第4章~第6章 【圣才出品】

第4章固体中原子及分子的运动一、选择题1.由纯A 和A-B 固溶体形成的互扩散偶(柯肯达尔效应),以下表述正确的是()。

[上海交通大学2005研]A.俣野面两侧的扩散原子其化学势相等:A A A A B μμ-=,B B A A B μμ-=B.该扩散为上坡扩散C.空位迁移方向与标记面漂移方向一致【答案】C2.有一级稀的fcc 结构的间隙固溶体,设a 0为晶格常数,ν为间隙原子延扩散方向的振动频率,rn G ∆为从平衡位置到势垒顶点的自由能改变量,则扩散系数可与表示为()。

[浙江大学2007研]A.2rn 0exp G D a RT ν∆⎛⎫=- ⎪⎝⎭B.2rn 01exp 6G D a RT ν∆⎛⎫=- ⎪⎝⎭C.2rn 02exp G D a RT ν∆⎛⎫=- ⎪⎝⎭【答案】A3.下列有关固体中扩散的说法中,正确的是()。

[东南大学2006研]A.原子扩散的驱动力是存在着浓度梯度B.空位扩散是指间隙固溶体中的溶质原子从一个间隙跳到另一个间隙C.晶界上点阵畸变较大,因而原子迁移阻力较大,所以比晶内的扩散系数要小D.成分均匀的材料中也存在着扩散【答案】D4.912℃下Fe α-的晶胞体积为0.02464nm,而转变为Fe γ-晶胞晶体为0.0486nm,在该温度单位质量Fe γ-转变为Fe α-时,其体积()。

[哈尔滨工业大学2007研]A.膨胀B.收缩C.不变D.不能确定【答案】A二、填空题1.扩散系数与温度的关系式是_________。

在高温阶段和低温阶段,扩散系数较大的是_________。

[天津大学2010研]【答案】0exp(/)D D Q RT =-;低温阶段2.线性高分子可反复使用,称为________塑料;交联高分子不能反复使用,称为________塑料。

[北京工业大学2009研]【答案】热塑性;热固性3.从F -R 源模型考虑,金属沉淀强化后的屈服强度s σ与沉淀相粒子平均间距L 的关系为_______。

材料科学基础(上海交大)_第4章解析

材料科学基础(上海交大)_第4章解析

学习方法指导
本章重点阐述了固体中物质扩散过程的规律及其应用, 内容较为抽象,理论性强,概念、公式多。根据这一特点, 在学习方法上应注意以下几点: 充分掌握相关公式建立的前提条件及推导过程,深入理 解公式及各参数的物理意义,掌握各公式的应用范围及必需 条件,切忌死记硬背。 从宏观规律和微观机理两方面深入理解扩散过程的本质, 掌握固体中原子(或分子)因热运动而迁移的规律及影响因 素,建立宏观规律与微观机理之间的有机联系。 学习时注意掌握以下主要内容:菲克第一,第二定律的 物理意义和各参数的量纲,能运用扩散定律求解较简单的扩 散问题;扩散驱动力及扩散机制:间隙扩散、置换扩散、空 位扩散;扩散系数、扩散激活能、影响扩散的因素。
4.0.1 扩散现象(Diffusion)
当外界提供能量时,固体金属中原子或分子偏离平衡 位置的周期性振动,作或长或短距离的跃迁的现象。 (原子或离子迁移的微观过程以及由此引起的宏观现象。) ( 热激活的原子通过自身的热振动克服束缚而迁移它处的 过程。)
扩散
半导体掺杂 固溶体的形成 离子晶体的导电 固相反应 相变 烧结 材料表面处理
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Figure 4.3 The flux during diffusion is defined as the number of atoms passing through a plane of unit area per unit time
材料与化学化工学院
第四章 固体中原子及分子的运动—扩散

《材料科学基础》第四章 固体中的扩散

《材料科学基础》第四章 固体中的扩散

第四章固体中的扩散物质传输的方式:1、对流--由内部压力或密度差引起的2、扩散--由原子性运动引起的固体中物质传输的方式是扩散扩散:物质中的原子或分子由于热运动而进行的迁移过程本章主要内容:扩散的宏观规律:扩散物质的浓度分布与时间的关系扩散的微观机制:扩散过程中原子或分子迁移的机制一、扩散现象原子除在其点阵的平衡位置作不断的振动外,某些具有高能量的单个原子可以通过无规则的跳动而脱离其周围的约束,在一定条件下,按大量原子运动的统计规律,有可能形成原子定向迁移的扩散流。

将两根含有不同溶质浓度的固溶体合金棒对焊起来,形成扩散偶,扩散偶沿长度方向存在浓度梯度时,将其加热并长时间保温,溶质原子必然从左端向右端迁移→扩散。

沿长度方向浓度梯时逐渐减少,最后整个园棒溶质原子浓度趋于一致二、扩散第一定律(Fick第一定律)Fick在1855年指出:在单位时间内通过垂直于扩散方向某一单位截面积的扩散物质流量(扩散通量)与该处的浓度梯度成正比。

数学表达式(扩散第一方程)式中 J:扩散通量:物质流通过单位截面积的速度,常用量钢kg·m-2·s-1D:扩散系数,反映扩散能力,m2/S:扩散物质沿x轴方向的浓度梯度负号:扩散方向与浓度梯度方向相反可见:1), 就会有扩散2)扩散方向通常与浓度方向相反,但并非完全如此。

适用:扩散第一定律没有考虑时间因素对扩散的影响,即J和dc/dx不随时间变化。

故Fick第一定律仅适用于dc/dt=0时稳态扩散。

实际中的扩散大多数属于非稳态扩散。

三、扩散第二定律(Fick第二定律)扩散第二定律的数学表达式表示浓度-位置-时间的相互关系推导:在具有一定溶质浓度梯度时固溶体合金棒中(截面积为A)沿扩散方向的X轴垂截取一个微体积元A·dx,J1,J2分别表示流入和流出该微体积元的扩散通量,根据扩散物质的质量平衡关系,流经微体积的质量变化为:流入的物质量—流出的物质量=积存的物质量物质量用单位时间扩散物质的流动速度表示,则流入速率为,流出速率为∴积存率为积存速度也可以用体质C的变化率表示为比较上述两式,得将Fick第一定律代入得=(D) ——扩散第二方程若扩散系统D与浓度无关,则对三维扩散,扩散第二方程为:(D与浓度,方向无关)1、晶体中原子的跳动与扩散晶体中的扩散是大量原子无规则跳动的宏观统计结果。

材料科学基础胡赓祥第3版配套题库

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材料科学基础胡赓祥第3版配套题库——才聪学习网胡赓祥《材料科学基础》(第3版)配套题库【考研真题精选+章节题库】目录第一部分考研真题精选一、选择题二、填空题三、判断题四、名词解释五、简答题六、综合题第二部分章节题库第1章原子结构与键合第2章固体结构第3章晶体缺陷第4章固体中原子及分子的运动第5章材料的形变和再结晶第6章单组元相图及纯晶体的凝固第7章二元系相图和合金的凝固与制备原理第8章三元相图第9章材料的亚稳态第10章材料的功能特性•试看部分内容考研真题精选一、选择题1以下关于调幅分解的正确表述是()。

[国防科技大学201 6年研]A.调幅分解是个自发分解过程,不需要形核功B.调幅分解也是通过晶核的形成和晶核的长大过程完成的C.相图上成分位于固溶体分解线内的合金均可以产生调幅分解【答案】A查看答案【解析】调幅分解属于连续的无核相变,其始于固溶体中的成分起伏,依靠上坡扩散时浓度差越来越大,最终使均匀固溶体变为不均匀固溶体,原固溶体以及新形成的两种固溶体的结构相同;而钢中的相变大多属于有核相变型,始于结构起伏,相界面在相转变中具有极重要的作用。

2高温下晶粒正常长大时,晶界迁移将受到第二相颗粒的阻碍。

以下说法正确的是()。

[国防科技大学2017年研]A.第二相含量越多,颗粒越粗大,阻力越大B.第二相含量越少,颗粒越粗大,阻力越大C.第二相含量越多,颗粒越细小,阻力越大【答案】C查看答案【解析】通常,在第二相颗粒所占体积分数一定的条件下,颗粒越细,其数量越多,则晶界迁移所受到的阻力也越大,故晶粒长大速度随第二相颗粒的细化而减小。

3由两个不同成分的液相在恒温下转变为一定成分的固相的反应叫()。

[沈阳工业大学2015年研]A.包晶反应B.合晶反应C.偏晶反应【答案】B查看答案【解析】常见的二元相图的反应式和图形特征,如下表所示:表14在不平衡结晶条件下,成分点在共晶附近的合金也可能全部转变成共晶合金,这种非共晶成分的共晶组织称为()。

材料科学基础复习题及答案-

材料科学基础复习题及答案-

单项选择题:(每一道题1分)第1章原子结构与键合1.高分子材料中的C-H化学键属于。

(A)氢键(B)离子键(C)共价键2.属于物理键的是。

(A)共价键(B)范德华力(C)氢键3.化学键中通过共用电子对形成的是。

(A)共价键(B)离子键(C)金属键第2章固体结构4.面心立方晶体的致密度为 C 。

(A)100% (B)68% (C)74%5.体心立方晶体的致密度为 B 。

(A)100% (B)68% (C)74%6.密排六方晶体的致密度为 C 。

(A)100% (B)68% (C)74%7.以下不具有多晶型性的金属是。

(A)铜(B)锰(C)铁8.面心立方晶体的孪晶面是。

(A){112} (B){110} (C){111}9.fcc、bcc、hcp三种单晶材料中,形变时各向异性行为最显著的是。

(A)fcc (B)bcc (C)hcp10.在纯铜基体中添加微细氧化铝颗粒不属于一下哪种强化方式?(A)复合强化(B)弥散强化(C)细晶强化第3章晶体缺陷11.刃型位错的滑移方向与位错线之间的几何关系?(A)垂直(B)平行(C)交叉12.能进行攀移的位错必然是。

(A)刃型位错(B)螺型位错(C)混合位错13.在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子,这样的缺陷称为。

(A)肖特基缺陷(B)弗仑克尔缺陷(C)线缺陷14.原子迁移到间隙中形成空位-间隙对的点缺陷称为(A)肖脱基缺陷(B)Frank缺陷(C)堆垛层错15.以下材料中既存在晶界、又存在相界的是(A)孪晶铜(B)中碳钢(C)亚共晶铝硅合金16.大角度晶界具有____________个自由度。

(A)3 (B)4 (C)5第4章固体中原子及分子的运动17.菲克第一定律描述了稳态扩散的特征,即浓度不随变化。

(A)距离(B)时间(C)温度18.在置换型固溶体中,原子扩散的方式一般为。

(A)原子互换机制(B)间隙机制(C)空位机制19.原子扩散的驱动力是。

(A)组元的浓度梯度(B)组元的化学势梯度(C)温度梯度20.A和A-B合金焊合后发生柯肯达尔效应,测得界面向A试样方向移动,则。

第4章固体材料中的原子扩散

第4章固体材料中的原子扩散

一、 无规则行走扩散
模型: 1、 无外场推动力,浓度差极小;
2、 质点由于热运动获得活化能,从而引起迁移;
3、 就一个质点来说,其迁移是无序的,随机的,各方面几率相同, 迁移结果不引起宏观物质流,而且每次迁移与前次无关。
在晶格中取两个相邻的点阵面,
n1--第一点阵面密度 ; n2--第二点阵面密度; --两原子间距;
第一定律仅适用于稳态扩散,即 在扩散过程中,合金各处的浓度 及浓度梯度都不随时间改变的。
当固体中存在着成分差异时,原子将从浓度高处向浓度低处扩散。如何描 述原子的迁移速率,阿道夫·菲克(Adolf Fick)对此进行了研究,并在1855 年就得出:扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比,即
J D d
3.空位机制
晶体中存在着空位。这些空位的存在使原子迁移更容易,故 大多数情况下,原子扩散是借助空位机制。空位机制产生 Kirkendall效应。
由于原始界面的移动,界面移向原子扩散速率 较大的一方,这种现象称为柯肯达尔效应。
4.晶界扩散及表面扩散 对于多晶材料,扩散物质可沿三种不同路径进行,即晶体
内扩散(或称体扩散),晶界扩散和样品自由表面扩散,并分 别用DL和DB和DS表示三者的扩散系数。
晶体内扩散DL < 晶界扩散Db < 表面扩散Ds 5. 位错扩散
原子通过位错扩散。温度越低,原子在位错中的时间越长, 在点阵中跳动的时间越短。
把 原 子 在 缺 陷 中 的 扩 散 称 为 短 路 扩 散 ( short-circuit diffusion)。固态金属或合金中的扩散主要依靠晶体缺陷来进 行。
大的电场或温度场也促使晶体中原子按一定方向扩散,造成 扩散原子的不均匀性。
4.3 扩散的原子理论

材料科学基础固体中原子及分子的运动

材料科学基础固体中原子及分子的运动

§ 4. 1 表象理论(Phenomenological laws)
扩散(diffusion): 在一个相内因分子或原子的热激活运动导 致成分混合或均匀化Fra bibliotek分子动力学过程。
当外界提供能量时,固体金属中原子或分子偏离平衡位置的周 期性振动,作或长或短距离的跃迁的现象。

加入染料
部分混合
时间
完全混合
碳的扩散方向 Fe-C合金
高碳含量区域
低碳含量区域
4.1.1 菲克第一定律(Fick’s first law)
稳态扩散 (d = 0)
dt
dx
1
2
(1>2)
J
=
d -D

dx
J
J: 扩散通量(mass flux), kg/(m2s) D: 扩散系数(diffusivity), m2/s : 质量浓度,kg/m3
• 描述非稳态扩散(non—steady state diffusion)。在扩 散过程中各处的浓度都随时间变化而变化,因而通过各 处的扩散流量不再相等而随距离和时间发生变化。
• 表达式: = (D )
t x x
• ※ 若D与浓度无关,则表达式: 4.3式(P130)
※ 三维扩散情况且D是各向同性,则表达式: 4.4式
解微分方程 → 引入中间变量和误差函数 → 求通解(式 4.6) → 边界条件和初始条件 → 求特解(式4.7、4.8)
• 2.一端成分不受扩散影响的扩散体--表面热处理过程 。 相当于无限大情况下半边的扩散情况
求解方法同上,特解为(式4.9、4.10 简化式4.11) 初始条件: t=0时,x≥0, = 0 边界条件:t>0时,x=0, = s,x=∞, = o 可解得方程的解 = s [1-erf(x/(4Dt)1/2)]

材料科学基础-名词解释

材料科学基础-名词解释

材料科学基础名词解释(上海交大第二版)第一章原子结构结合键结合键分为化学键和物理键两大类,化学键包括金属键、离子键和共价键;物理键即范德华力。

化学键是指晶体内相邻原子(或离子)间强烈的相互作用。

金属键金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为金属键。

离子键阴阳离子之间通过静电作用形成的化学键叫作离子键共价键由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。

范德华力是借助临近原子的相互作用而形成的稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。

氢键氢与电负性大的原子(氟、氧、氮等)共价结合形成的键叫氢键。

近程结构高分子重复单元的化学结构和立体结构合称为高分子的近程结构。

它是构成高分子聚合物最底层、最基本的结构。

又称为高分子的一级结构远程结构由若干个重复单元组成的大分子的长度和形状称为高分子的远程结构第二章固体结构1、晶体:原子在空间中呈有规则的周期性重复排列的固体物质。

晶体熔化时具固定的熔点,具有各向异性。

2、非晶体:原子是无规则排列的固体物质。

熔化时没有固定熔点,存在一个软化温度范围,为各向同性。

3、晶体结构:原子(或分子、离子)在三维空间呈周期性重复排列,即存在长程有序。

4、空间点阵:阵点在空间呈周期性规则排列,并具有完全相同的周围环境,这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵,简称点阵。

5、阵点:把实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体,并将其中的每个质点抽象为规则排列于空间的几何点,称之为阵点。

6、晶胞:为了说明点阵排列的规律和特点,在点阵中取出一个具有代表性的单基本元(最小平行六面体)作为点阵的组成单元,称为晶胞。

7、晶系:根据六个点阵参数间的相互关系,将全部空间点阵归属于7中类型,即7个晶系,分别为三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方和立方。

13、晶带轴:所有平行或相交于某一晶向直线的晶面构成一个晶带,此直线称为晶带轴。

属于此晶带的晶面称为共带面。

14、晶面间距:晶面间的距离。

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第四部分 固体中原子及分子的运动概述:物质的迁移可通过对流和扩散两种方式进行,在气体和液体中的物质迁移一般是通过对流和扩散来实现的;但由于固体中无法对流,扩散则是固体物质的唯一物质迁移方式。

扩散是固体材料的一个重要现象,诸如金属铸件的凝固及均匀化退火、冷变形金属的回复与再结晶、陶瓷或粉末冶金的烧结、材料的固态相变、高温蠕变,以及各种表面处理等都于扩散密切相关。

固体中的物质迁移属于动力学范畴,固体按原子的键合情况可分为金属(金属键)、陶瓷(离子键)和高分子(共价键)材料。

不同键合情况导致固体中原子的运动方式不同。

研究扩散有两种方法:①表象理论-根据所测量的参数面描述物质传输的速率和数量等;②原子理论-扩散过程中原子是如何迁移的。

第一节 表象理论 1.菲克第一定律 dxd DJ ρ-= J (smkg 12--⋅⋅): 扩撒通量,表示单位时间内通过垂直于扩散方向x 的单位面积的质量 D(sm 12-⋅):扩散系数ρ(mkg 3-⋅):扩散物的质量浓度 负号表示扩散方向与质量浓度方向相反,此公式仅适用于稳态扩散(即质量浓度不随时间改变) 2.菲克第二定律)(xDxt∂∂∂∂=∂∂ρρ 当D ,ρ无关时,可简化为:xDx22∂=∂∂∂ρρ该公式的导出原理:第一定律+质量守恒定律过程:在垂直于物质运动方向x 上,取一个横截面积为A 、长度为dx 的体积元,设流入和流出此体积元的通量分别为J1和J2则有:积存质量=流入质量-流出质量,积存速率=流入速率-流出速率 设流入速率为A J 1,由微分公式得dx xA J A A J J ⋅∂∂+=),(12,即积存速率=dx xJ A∂∂-,另外积存速率也可以用体积元内扩散物质质量随时间的变化速率表示:dx xJ AAdx t∂∂-=∂∂ρxJ ∂∂-=将第一定律代入即可。

化学扩散:指由浓度梯度引起的扩散自扩散:指不依赖于浓度梯度,仅由热振动而产生的扩散。

自扩散系数定义:)lim(0xJD xs∂∂-→∂∂=ρρ3.扩散方程的解(注:此处均假设D ,ρ无关)☆ 误差函数解(两端成分不受扩散影响的扩散偶): 导出过程:①引入中间变量Dtx 2=β代入第二定律得通解AA d 221)exp(+-=⎰βρββ②由初始条件⎪⎩⎪⎨⎧=<=>=ρρρρ21,0,0,0x x t ,边界条件⎪⎩⎪⎨⎧=-∞==∞=≥ρρρρ21,,,0x x t 定A 1,A 2。

③引入误差函数βπβββd erf ⎰-=2)exp(2)( ④得出误差函数解:)2(22),(2121Dtx erf t x ρρρρρ-++=注:由此可得一端成分不受影响的扩散体的解。

解此类题问题的关键为第一步即通解的得出。

格林函数解(高斯解/衰减薄膜源):)4exp(2),(2DtDtM t x x-=πρ 此公式精确适用的条件:w Dt w,22>:扩散源的浓度此公式的应用:示踪原子法测金属的自扩散系数,M :扩散物质单位面积的质量。

正弦解(成分偏析的均匀化):)exp(),2(22maxλπρρρλρtD t oo-=--由此公式可得出给定温度下,均匀化退火时间与枝晶间距或晶粒大小的关系:DA t λ2=4.置换型固溶体中的扩散柯肯达尔效应:由于置换固溶体中溶质和溶剂原子扩散系数的不同,导致扩散偶中标记面的迁移现象。

说明:在柯肯达尔现象中标记面向D 大者移动,空位亦向D 大者移动。

达肯方程的导出:☆ ①由υt(原子相对于标记的速率)=υm(标记速率)+υD(原子扩散速率)可得υρυρυρDtmJ111111+=⋅=;υρυρυρDtmJ222222+==。

②由dxd DDρρυ=,且标记面净通量为零得:021=+JJdxddxdDDm ρρρρυ221121)(+=+③由ρρ11=x,ρρ22=x,121=+xx 得:dxddxdxDxDm 2211+=υ,式中xi为组分i 的摩尔分数。

④将xi-1代入上式得:dxdxDD m212)(-=υ;将上式代入vJDmρυρ111+=得:dxd Ddxddxddxdx D x D DD D x J ρρρρ2112211112111)()(-=+-=--=;同理可得:dxdDJρ22-= xD xD D 1221+=⎪⎩⎪⎨⎧+=+x D x D x D x D dx d dx m 12212211υ D :互扩散系数5.D ,ρ相关时,扩散方程的解(玻尔兹曼-俣野图解法)、①引入参变量tx =η将偏微分方程xxD t∂∂∂∂=∂∂)(ρρ转换为全微分方程:)(2dxd D d d ρρη=-②解此全微分方程得:,21)(111⎰=-=ρρρρρρxd tD d dx 此式中所有未知数均可通过一定t 时的x -ρ曲线求得,关键是确定0=x 的坐标面。

③俣野面(0=x )的确定原则,扩散偶中通过俣野面的两组元的反向通量相等。

第二节 原子理论 1.扩散机制固体中原子的扩散机制有:①交换机制(直接交换机制、互交换机制)②间隙机制③空位机制④晶界扩散和表面扩散,多晶材料中存在体扩散(DL)、晶界扩散(DB)、表面扩散(DS)后两者又称短路扩散(缺陷中进行的扩散)。

说明:柯肯达尔效应最重要的意义就是支持空位扩散机制 2.原子跳跃和扩散系数原子跳跃频率(Γ)和扩散系数(D )的关系式: D=Pd 2Γ P:原子跳跃频率 d:跳跃步长 间隙扩散机制中,扩散系数的表达式: )exp()exp(2kTU kS vZ PD d∆-∆= U ∆:扩散内能又称扩散激活能(Q )(扩散激活自由能之内能部分) Z :间隙配位数 说明:上式中可令)exp(2kS vZ PdDo∆= )kTQ-空位扩散机制中扩散系数表达式:)exp()exp(2kTUkSv PD U SZ d v vo ∆+∆-∆+∆=对比二式知空位扩散中除需扩散迁移能,还需扩散形成能 因此可将二式均写成)exp(RTQ D D o -=形式,但对不同的扩散机制D o 、Q 代表的含义不同。

注:由)exp(RTQ D D o -=o RTQ -根据TD 1ln -线性关系可求知D o 和Q ,进而推断扩散机制;扩散系数只与扩散机制和材料相关,D 具有温度敏感性,温度越高,D 越敏感。

第三节扩散热力学分析扩散的驱动力为化学势梯度,决定上坡扩散和下坡扩散。

扩散热力学因子的导出:xr ii lnln 1∂∂+①由扩散的驱动力为化学势梯度xF ∂∂-=μ,扩散的平均速率BF =υ②由扩散通量的两种形式相等得xxDiiiiB∂∂-=∂∂-=μρρρυ ρμiiiBD ln∂∂=x r ai i ikT kT ln ln ln∂+∂=∂代入上式得)lnlnln(ρiiii xrB kT D ∂∂+∂=,又因xiilnln∂=∂ρ)ln ln1(xrB ii i kT D ∂∂+=此式又称爱因斯坦—能斯特方程。

可能引起上坡扩散的其它因素:①弹性应力作用 ②晶界内吸附 ③场不均一性(温度场、电场等) 第四节 无规行走与扩散距离 原子跃迁的均方根位移与步长的关系:d n nR =2注:此式常用于与D=Pd 2Γ结合求均方根位移与时间的关系式Dt nR 62=第五节 影响扩散的因素☆1.温度:影响扩散速率的主要因素,作用对象D2.固溶体类型:影响扩散机制,进而影响D3.晶体结构:晶体结构不同、致密度不同、溶质溶解度不同,进而影响浓度梯度;晶格各向异性决定了扩散系数的各向异性。

4.晶体缺陷:影响扩散激活能;晶界、表面、位错等缺陷起着快速通道的作用,利于晶体扩散,但由于位错与间隙原子发生交互作用,也可能减慢扩散(所以位错在间隙固溶体中阻碍扩散,在置换固溶体中促进扩散);晶界扩散也呈各向异性。

5.化学成分:基体组元的特性决定其结合键的强弱进而影响激活能;溶质浓度直接影响扩散系数;第三组元或杂质可改变原子化学势梯度。

6.应力作用:应力可以提供扩散驱动力,外加应力使材料内产生弹性应力梯度,促使原子向点阵伸长的部分迁移。

反应扩散:扩散过程中牵涉相变的扩散;在n 元系的反应扩散层中,渗层组织中最多可存在n-1相共存,因为欲使扩散持续进行,必有0≠∂∂xiμ。

第六节 离子晶体中的扩散(陶瓷)在金属和合金中,原子结合是以金属键方式,因此,扩散原子可以跃迁进入临近的任何空位和间隙位置。

陶瓷中的原子结合以离子键为主,在离子晶体中,扩散离子只能进入具有同电荷的位置。

在离子晶体中缺陷的产生是以保持电荷中性为条件的,因此需要形成不同电荷的两种缺陷。

如一个阳离子空位和一个阴离子空位组成的肖特基缺陷及一个阳离子空位和一个阳离子间隙原子组成的弗仑克尔缺陷。

当化合物中离子化合价发生变化时或在化合物中掺杂的离子,化合价不同于化合物中的离子时,为了保持电荷中性,就会出现阳离子空位或阴离子空位。

离子晶体中电导率与扩散系数的关系(高温):☆间隙机制:kTic q DT2=σ空位机制:fkTic qDT2=σc :单位体积内某种离子数q i :离子电荷σ:电导率 f:空位机制扩散相关因子(f<1)说明:由于离子晶体中,离子键结合能一般大于金属键结合能,故扩散激活能较大;另外,由于半径大小的缘故,阳离子的扩散系数通常大于阴离子 第七节 高分子的分子运动 1.分子链运动的起因及其柔顺性分子链的运动起因于主链中单键的内旋转;由于单键内旋转导致了原子排列方式不断变换,产生了分子在空间的不同形态,称为构象;单键的内旋转是导致高分子链蜷曲构象的原因,内旋转越自由,蜷曲的趋势越大,表明高分子链柔顺性越好。

可用链段长度表征高分子链的柔顺性:)exp(kTl lpε∆= 而链的静态柔顺性则可用链段长度与整个分子链长度之比x 表示:nlkTl Lx lp)exp(ε∆==2.分子的运动方式及其结构影响因素高分子是通过链段的逐步跃迁来实现整个大分子链的位移 影响分子链柔顺性的结构因素:①主链结构②取代基特性③链的长度④交联度⑤结晶度 3.高分子不同力学状态的分子运动解说对于线型非晶态高分子,在玻璃化转变温度T g 以下呈玻璃态,其原因是热能只能激活比链段更小的运动单元,如:链节、侧基等,而当温度高于T g 而小于粘流温度T f 时,热能只能激活链段及链段以下单元运动,此时呈现高弹态,但热能尚不能激活高分子链整体运动;只有当温度高于T f 时,整个分子链出现相对位移,才呈现粘流态。

对于体型非晶态高分子,由于它是一种立体网状交联结构,分子链不能产生相对质心运动,因此无粘流态,仅有玻璃态和高弹态,并且随着交联度的增大,可能不出现高弹态。

完全结晶的高分子是不存在的,事实上,都会有相当部分的非晶区存在。

不完全结晶高分子的高弹态被分为橡胶态和皮革态(以Tm 为界,Tm—Tg间为皮革态)。

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