材料固态相变与扩散 第1章_概论

1.1 组织稳定性
组织稳定性：是在一定条件下相对稳定的程度。 驱动力：宏观状态下使原子作定向移动的力；
化学自由能：一个相无应变自由能，随温度变化较大 应变自由能：由短或长范围的应变引起的自由能增量 界面自由能：相界面或晶界处原子的额外自由能 外能量：（温度）、力、磁场、电场、辐照、激光等
真正的驱动力是化学位 激活能:使原子从原位置移动到另一位置所需能量 自然界事物都遵循最小能量原理（最小阻力）。
原子（固溶体）扩散:原子在基体点阵中的扩散 扩散系数
D D0 exp( Q / RT )
D 随成分而变化， 影响扩散系数的因素有Q、T、D0
扩散热力学
1 d ln f d ln C
1 d ln f < 0 d ln C
1 d ln f > 0 d ln C
Da D 1 d ln f 1 f d ln C
课程内容
基本概念及原理
扩散定律及应用
形核\长大与竞择
脱溶
扩散型相变
溶解
M相变形态学
M相变
M相变能量学
外能量场下相变
新问题 纳米材料相变
簿膜材料生长
课程特点
一般情况下,研究生课程内容除了讲解基本概念和成熟 理论外,还需要介绍学术争论的问题、未解决的问题和前沿 研究的问题。
学位课程应该是讨论学科中普遍的基础理论知识和典 型的专门知识,这些知识往往在本科阶段已接触到,研究生 学习是深化和扩展。
A
A
A
(r)
A
()
2Vm
r
另外:根据化学位和浓度的关系,可得到
A
(r)
A
()
RT
ln
C(r) C ()
ln C (r ) 2Vm
简化
C () RTr
ln(1+x)≈x
C
(r)
C
()1
2Vm
RTr
其物理意义为：当半径为r的质点在表面张力平衡时，球形 质点内产生压强ΔP=2σ/r, 这样使质点的自由能增加V ΔP。
图 位置与能量
图 状态稳定性的 力学近似
激活能
图 原子位置与能量
图 在FCC晶体（100）晶面上，间隙原子的自由能与位置的关系
● Arrhenius 方程 ：
V A exp( U A / KT )
V是变化速度，△G或△U为过程激活能
● Gibbs-Thompson效应
ln C (r) 2 V
材料固态相变与扩散
课程目的
材料研究
扩散和相变
是各类材料制备、加工和使用中许多重要 的物理、化学等过程得以实现的基础。
扩散与相变是 问题的不同方面
相变都与原子 运动有关
了解扩散规律 → 深入理解相变过程与结果； 研究相变原理→确切掌握原子运动方式与速度。
相变与扩散是材料工作者和研究生应该掌握 的基本理论和基本知识。
自选作业: 查阅文献资料,写作小论文,4~6学时 开卷考试: 3小时 成绩记载:开卷考试70% +自选作业30% + 有关加分
主要参考书目
1.程晓农等编，材料固态相变与扩散，化学工业出版社， 2006
2.徐祖耀著，相变原理，科学出版社，2001 3. P. Haasen主编，刘治国等译，材料的相变，科学出版
C () RT r 在体系平衡状态下:小质点溶解 ，大质点长大
图 不同质点附近的浓度差引起的扩散流
当α/β界面为曲面时，dA/dN≠0。即表面能有变化， 这时的平衡条件是：
A
A
dA dn
设Vm为摩尔体积，dn为A原子摩尔增量, Vm=dV/dn ,
A
A
2 dV r dn
2Vm
r
当r→∞时，
课程教学特点: 课堂教学与自学相结合,理论学习与实 践应用相结合,讲解与讨论相结合.
研究生应该具有自主学习和研究性学习的能力与习惯。
课程安排
课堂教学: 28学时. 其中:基本概念/思路/方法,24学时; 习 题 课: 教师讲解部分典型习题,2学时. 综合报告: 研究进展,2学时
课堂讨论: 根据布置的习题,进行小组讨论,由代表在课 堂上陈述解题思路和方法, 4学时
图 TiO2(110)表面球模型。圆周记号表示一空位，箭头为观察到的空位扩散途 径。（A）和（B）是STM的二幅图象，（C）表示空位跃迁垂直于Ti/O原子列。
—— MaterialsToday, 2005,
▲ 扩散类型
上坡（逆）扩散 :浓度低处向浓度高处扩散 反应（相变）扩散 :通过扩散而形成新相的扩散
纵截面 规则平行排列
横截面 杂乱无章
○ ○ ○○ ○ ○ ○ ○
○ ○ ○ ○ ○○ ○
○
○
○○○ ○
○
○ ○ ○ ○ ○○
○ ○ ○ ○○ ○ ○
○○ ○ ○ ○○ ○ ○
○ ○ ○ ○ ○ ○ ○○
1.3 相变分类
1 一级相变
在临界点处新旧两相的自由焓相等，但自由焓的一次 偏导不同，即：
G T
P
G T
P
S S
G P
T
G P
T
V V
一级相变的特点：熵与体积呈不连续变化，即相变时有 相变潜热和体积的突变。
大量研究表明，发生于自然界中的相变大部分是属于一 级相变，在金属或非金属材料中所涉及到的相变也大部分 为一级相变。
2 二级相变
相变时，自由焓相等，自由焓的一次偏导也相等，但二 次偏导不等。即：
社，1998 4.戚正丰主编，固态合金中的扩散与相变， 机械工业出
版社， 1998 5.徐洲，赵连城主编，金属固态相变原理，科学出版社，
2004
第1章 概论
1.1 组织稳定性 1.2 扩散概念 1.3 相变分类
1.4 固态相变特点
相变基本原理:方向、途径、结果; 能量分析方法:失稳条件、过程速率、过程竞择等 固态相变特点:应变能、界面能、过渡相、相稳定性等
称为热力学因子
上坡扩散
化学位方向与浓度 梯度方向不一致
顺扩散
▲界面控制与扩散控制━动力学
界面控制
生长速度基本上与基体中原子扩 散速率无关,过程速度受控于原子 扩散通过界面的速度
扩散控制
过程Байду номын сангаас原子体扩散速率所控制
台阶机制
界面控制的共格界面生长
共格 非共格
左图 台阶生长机制
右图 相间 沉淀长大机 理(均匀的或 不均匀的台 阶)
1.2 扩散概念 ▲ Fick扩散定律表达式
第一定律：浓度分布不随时间变化的稳态扩散
J D dC dx
第二定律：浓度分布随时间变化的扩散过程
C D C t x x
▲ 迭加原理与反射原理
图 扩散中的迭加原理与反射原理示意
▲ 扩散微观机理
图 晶体中原子扩散的微观机制 1—直接交换；2—环形交换；3—空位； 4—间隙；5—填隙；6—挤列