1、關(guān)于材料的動力學(xué)過程第一張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1 第7章 固體材料的動力學(xué)過程 -激活、擴散及相關(guān)材料問題7.1 材料狀態(tài)改變、過程與激活能7.2 玻爾茲曼分布與阿倫尼烏斯定律及其應(yīng)用7.3 金屬材料中的原子擴散過程7.4 離子晶體、共價晶體和聚合物中的擴散 7.5 材料中的動力學(xué)7.6 材料中的動力學(xué)7.7 材料中的動力學(xué)第二張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2 7.1 材料狀態(tài)改變、過程與激活能 7.1.1 狀態(tài)改變與過程 狀態(tài) 狀態(tài) 過程三共性：方向、 途徑、結(jié)果方向自由能降低途徑阻力最?。せ钅茏畹? 結(jié)果適者生存 某過程例1：wc=0.8%的共析碳鋼： 退

2、火（爐冷）球狀珠光體 正火 (空冷) 片層狀索氏體 淬火 (水冷) 馬氏體例2： wc=1.1%的過共析碳鋼：（P+Fe3C). 經(jīng)長時退火Fe3C既可球化而降低界面能，也可分解為石墨降低其化學(xué)自由能。第三張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3 7.1.2 亞穩(wěn)狀態(tài)與激活能 圖7-1 : 磚的幾種狀態(tài)（a）亞穩(wěn)定（b）不穩(wěn)定（c）穩(wěn)定（平衡狀態(tài)） 推力F較小時,（a）（a）態(tài)；推力F足夠大時，（a）態(tài)（b）激活態(tài) （c）穩(wěn)態(tài) 特點： 從亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到穩(wěn)定態(tài)是非自發(fā)的，需要借 助于某種推動即熱激活過程。亞穩(wěn)態(tài)存在的普遍性:提純的金屬;多種材料的實用組織狀態(tài)均是亞穩(wěn)態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)是由動力學(xué)因素所造

3、成的非平衡態(tài)。它是自由能極小值狀態(tài)，不是最小值狀態(tài)。 vB(能壘高度) vA Q ( 激活能 ) vA(亞穩(wěn)態(tài)) vC(穩(wěn)態(tài)) H ( 反應(yīng)熱 )第四張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月47.2 玻爾茲曼分布與阿倫尼烏斯定律及其應(yīng)用途徑一：火車 約9小時途徑二：汽車 約7小時 途徑一：飛機 約1小時蘭州西安第五張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月57.2.1 反應(yīng)途徑反應(yīng)進行的途徑(或過程進行的方式)不只一種，但沿不同途徑所需的激活能各不相同 。末位置：（0 ) 反應(yīng)途徑： :(000)初位置：（000） （0 ) :(000) (00 ) （0 )圖7-3 面心立方晶體中 空位遷

4、移的途徑 第六張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月6圖7-4 : 原子沿P1途徑的勢能變化 圖7-5 :原子沿P2途徑的勢能變化 不同途徑原子所需勢能對比第七張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月7 7.2.2 原子、分子的熱能分布與玻爾茲曼定律在一定溫度（T）下材料內(nèi)原子熱運動平均能量為 3/2（KT）,或 3/2（RT）（1mol原子）每原子的能量并不完全相同，遵循玻爾茲曼統(tǒng)計分布： 具有能量為EE+dE內(nèi)的原子數(shù)目dN = Aexp (E/KT)dE則原子總數(shù)： NT = 0 Aexp(E/KT)dE = AKT, A = NT / KT能量大于某值q的原子數(shù)目:N=qAexp

5、(E/KT)dE = NTexp(q/KT), N/NT = exp(q/KT) 圖7-6 麥克斯韋-玻爾茲曼分布第八張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月8 7.2.3 阿倫尼烏斯定律 由于能克服某過程能壘進行反應(yīng)的原子比例為 exp(-Q/KT) (Q為激活能)，故反應(yīng)速度正比于此原子比例： V = Aexp(Q/KT) 或 V = Aexp(Q/RT) Arrhenius定律 R=N0K取對數(shù)： lnV = lnAQ/RT = 常數(shù)Q/R（1/T）圖7-7 lnV與1/T的關(guān)系lnV = lnA(Q/R).1/Tln(或 lg )V 與 1/T呈線性關(guān)系，對數(shù)坐標(biāo)作圖由 V、T 可求

6、 Q。影響V（反應(yīng)速度）的二要素：Q 與 T多個過程競爭時。Q小的過程V 最大， 捷足先登 ；過程的T V 第九張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月92Cx2=DCtxCx(D )JxFick律結(jié)合具體情況，可有多種形式的解，給出C=f（x,t） 關(guān)系式,從而工程應(yīng)用（P201）。 7.3 金屬材料中的原子擴散過程7.3.1 擴散現(xiàn)象與規(guī)律(1) 擴散現(xiàn)象濃度梯度與擴散，下坡擴散與上坡擴散，自擴散與互擴散。(2) 菲克定律穩(wěn)定擴散（濃度c不隨時間t而變）用Fick I 律,特點:無物質(zhì)積累擴散通量:JCXJ=DCX非穩(wěn)定擴散用Fick律,存在物質(zhì)積累,引起濃度C隨時間的變化：第十張，PP

7、T共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月10主要擴散機制：空位機制與間隙機制空位擴散間隙擴散填隙子擴散環(huán)狀擴散7.3.2 擴散機制、擴散激活能與擴散途徑圖7-9 材料中的擴散機制 第十一張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月11 擴散激活能: QV QI 空位機制： 空位形成能 +跳動激活能 間隙機制：跳動激活能圖7-10 擴散的原子彼此擠壓，需要高能量的激活能Q，一般置換原子所需能量比間隙原子的大 第十二張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月12體擴散（晶格擴散): Q大，主要的。 短路擴散（晶界，位錯和表面擴散): Q小，占比例小， 高低溫下作用大。 擴散途徑:7.3.3 影響因素：Q與

8、T D = D0exp(-Q/RT) Arrhenius關(guān)系 Q D T D , 擴散速度第十三張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月137.4 離子晶體，共價晶體和聚合物中的擴散7.4.1 離子晶體與共價晶體中原子的擴散特 點： 擴散離子只能進入同等位置, 保持電 中性。 Q大（來自大的靜電引力），D小。 DMe+DMe-。(1) 離子晶體(2) 共價晶體特 點：雖原子排列疏松（致密度低），由于強大 方向鍵，擴散緩慢；典型應(yīng)用：半導(dǎo)體摻雜（p205）。圖7-11 離子化合物中的擴散。陽離子只能進入其它陽離子位置 第十四張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月14 7.4.2 高聚物與非

9、晶體中的擴散 高聚物中擴散的特點：大分子鏈尺寸太大，擴散緩慢（鏈內(nèi)的單個原子由于共價結(jié)合，不可能單獨移動）； 高聚物自擴散的主要形式是分子鏈段運動。 工程上重要地是外來原子或分子的擴散：滲透或吸收。 吸收：較小分子進入聚合物的某個位置并保留下來，例染料。 滲透：較小分子擴散通過聚合物，例膜片對于海水的選擇性 通過（海水淡化）等。 非晶體中擴散的特點（例硅酸鹽非晶態(tài)）： Si、O原子間強結(jié)合，原子擴散困難; 移動的是Si-O四面體 單元，故擴散緩慢。 小原子（H、He等）易通過非晶體的疏松區(qū)玻璃在高真空 應(yīng)用的局限性。 第十五張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月15 7. 材料中的動力學(xué)：

10、擴散與材料行為 . 晶體長大與擴散現(xiàn)象:, 細小晶粒較粗大晶粒，大晶粒吞并小晶粒， 凹面變平。為自發(fā)過程。機理：晶界附近原子跨越晶界運動（擴散）界面遷移平均晶粒尺寸增大。定量關(guān)系(恒溫)： d = (k t) n 某T時，組織中障礙（粒子尺寸r、體積分?jǐn)?shù)f）阻礙晶粒長大： R = d/2 = 4r / 3f圖7-12: 原子從一晶粒穿過晶界向另一晶粒擴散時，即 發(fā)生晶粒長大。第十六張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月167.5.2 擴散焊用途：用于稀有合金（Ti合金等）、異種金屬陶瓷材料等。 三步驟：高溫加壓、塑變貼合（壓平，尚有部分孔洞） 原子界面擴散(明顯快于晶內(nèi)的體積擴散),孔洞尺

11、寸 ,并被基體包圍體擴散、孔洞消失(接頭完全焊合)。 圖7-13 :擴散焊步驟（a）開始時接觸面很??；（b）加壓使表面變形，增加了連接面； （c）晶界擴散 使空洞縮?。唬╠）空洞的最終消除需要通過體積擴散。第十七張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月177.5.3 粉末冶金與燒結(jié) 用途：粉末冶金制品，陶瓷制備 步驟：微粒（粉末） 機械變形（模壓）或粘結(jié)坯高溫 長時間（原子擴散及某些反應(yīng)）燒結(jié)密實化制品。圖7-14 : 燒結(jié)和粉末冶金過程中的擴散過程 原子向接觸點擴散，產(chǎn)生橋結(jié)并最終填滿孔隙。第十八張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月18因素：粉末越細、溫度越高、燒結(jié)速度越快。致密化速

12、率：7.5.4 蠕變與擴散（creep）（課后自行閱讀和總結(jié)）7.5.5 材料的氧化（oxidation） （自學(xué)）d/dT=（c/an）exp（Q/RT）a- 顆粒尺寸，c、n為常數(shù)，Q 為激活能 第十九張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月197.6 材料中的動力學(xué):材料相變動力學(xué)特征 相變的實用意義：與材料制備、材料加工處理及性能改善等密切相關(guān)。7.6.1 相變的一般機制與特點 化學(xué)成分改變，結(jié)構(gòu)改變，表面能數(shù)量變化，晶界能數(shù)量改變應(yīng)變能數(shù)量的改變。相變機制：形核+長大 轉(zhuǎn)變完成圖7-15 -界面附近的自由能變化Q=G（）為能壘、激活能，G=GG為反應(yīng)熱 / 驅(qū)動力相變（轉(zhuǎn)變）是材料

13、狀態(tài)的變化：第二十張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月20 相變條件：T相變滯后，對應(yīng)的G即相變驅(qū)動力。G0原子擴散、移動、調(diào)整位置。 固態(tài)相變特點（自學(xué)P212） 生核方式：均勻（自發(fā)）形核和不均勻 (非自發(fā))形核；二者競爭，常非自發(fā)形核。7.6.2 固態(tài)相變（轉(zhuǎn)變）的主要類型與特征晶粒長大：驅(qū)動力為晶界能 ，不形核，晶體結(jié)構(gòu)不變，原子 擴散距離 1nm。再結(jié)晶：驅(qū)動力為應(yīng)變能，形核，生成無畸變晶粒，原子局 部重排 1nm。多晶型轉(zhuǎn)變：驅(qū)動力為新、舊相自由能差， 生成結(jié)構(gòu)不同的新 相, 原子局部重排 1nm。第二十一張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月21圖7-17 等溫析出（9

14、0Pb-10Sn）圖7-16 固溶處理和析出固溶與析出：驅(qū)動力為新、舊相自由能差，有新相、有成分 變化，需原子大量擴散1nm。 +第二十二張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月22共析轉(zhuǎn)變：驅(qū)動力為體積自由能差，兩個新相，大量（長程）擴散1nm。鋼中，A（奧氏體）F+Fe3C（珠光體）以上共性：擴散型轉(zhuǎn)變，多獲得平衡組織結(jié)構(gòu)。若條件不充分，尤其快冷時，會得到各種非平衡組織，甚至籍無擴散方式轉(zhuǎn)變。圖7-18 珠光體的形成圖7-19 退火后的鐵碳合金（滲碳體）和馬氏體的硬度與含碳量的關(guān)系曲線第二十三張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月23特點：無擴散（1nm），由剪切切變產(chǎn)生晶型變化 （

15、鋼從面心立方體心四方），屬非穩(wěn)定相。 一定條件下（T，t）即向穩(wěn)定相過渡（回火過程）：慢冷A（fcc） 快冷M（bct）硬而脆A1（727）F（bcc）+Fe3C回火（T，t）， 使脆性馬氏體轉(zhuǎn)變與回火（M transformation and tempering ）第二十四張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月247.6.3 轉(zhuǎn)變的動力學(xué)曲線與C曲線（1）轉(zhuǎn)變速率與動力學(xué)曲線 轉(zhuǎn)變速率（R）取決于生成速率（N）與長大速率（G）： . R = f（N，G）. 影響轉(zhuǎn)變速率的二因素： GV（驅(qū)動力）使新相持續(xù)形成的必要條件（熱力學(xué)條件）； 原子活動性使原子長程、短程遷移成為可能（動力學(xué)條件）

16、。. 轉(zhuǎn)變溫度（T）的重要影響：T高時-GV小，但擴散能力強，控制因素是GVT低時, GV大，但擴散能力弱，控制因素是 D（2）多晶體的形成 液固:過冷液體形核（小晶體）三維長大等軸多晶體。若方向性散熱（如沿模壁） 方向性組織（柱狀晶）；若兩個相同時析出，交替長大片層狀或其他復(fù)雜形狀（如共晶 萊氏體） 形成C形曲線 （見次頁圖） 第二十五張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月25圖7-20 gv和D與轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系 圖7-23 擴散型相變的等溫轉(zhuǎn)變曲線圖7-21 界面遷移率與溫度的關(guān)系 圖7-22 轉(zhuǎn)變速率與溫度的關(guān)系 第二十六張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月26 固固轉(zhuǎn)變：若完

17、全轉(zhuǎn)變形成單相（ ）易呈等軸晶；若形成雙相（AF+Fe3C ）易呈片層狀組織。若部分轉(zhuǎn)變（=+），晶界析出和向晶內(nèi)長大（T高時） 或晶內(nèi)均布（T低時）；若劇冷（AM）,以無擴散方式轉(zhuǎn)變或母相的低溫保留（殘A）。 圖7-24 固相析出示意圖第二十七張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月27實例：鋼的奧氏體過冷轉(zhuǎn)變圖7-25 :奧氏體分解的等溫轉(zhuǎn)變曲線（SAE 1080）第二十八張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月28高聚物部分結(jié)晶的適宜條件： 材料特征:線形結(jié)構(gòu) 溫度:TgTm之間,約0.8Tm+充分時間(退火)7.7 材料中的動力學(xué) 牽引工藝:加拉伸應(yīng)力，促進紊亂的線型分子鏈規(guī)則排列。 圖7-26 部分結(jié)晶高聚物的兩相模型 第二十九張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月29本 章 小 結(jié) 材料中原子通常處在穩(wěn)定或亞穩(wěn)狀態(tài)，從一個狀態(tài)到另一狀態(tài)，或材料內(nèi)部的微觀過程都需要激活能-引起特定反應(yīng)的能量。如原子擴散的激活能。 描述熱