材料制备的科学基础学习教案

1、会计学1材料制备的科学基础材料制备的科学基础第一页，编辑于星期日：十五点 四十三分。2第1页/共83页第二页，编辑于星期日：十五点 四十三分。35.1.1 概述概述第2页/共83页第三页，编辑于星期日：十五点 四十三分。45.1.1 概述概述第3页/共83页第四页，编辑于星期日：十五点 四十三分。55.1.1 概述概述第4页/共83页第五页，编辑于星期日：十五点 四十三分。65.1.2 吉布斯相律吉布斯相律第5页/共83页第六页，编辑于星期日：十五点 四十三分。75.1.2 吉布斯相律吉布斯相律第6页/共83页第七页，编辑于星期日：十五点 四十三分。85.1.3 相图的热力学基础相图的热力学基

2、础BBAAMxHxHG000BAABxsxxH)lnln(BBAAmxxxxRTSTTpdTC0TpxsdTTCTST0为为A、B形成溶体时的超额焓形成溶体时的超额焓为为A、B两组元在两组元在0K呈机械混合时的自由能呈机械混合时的自由能为热能为热能为温熵为温熵为为T时的混合熵时的混合熵TpTpBBAABAABBBAAdTTCTdTCxxxxRTxxxHxHxG0000)lnln()(第7页/共83页第八页，编辑于星期日：十五点 四十三分。95.1.3 相图的热力学基础相图的热力学基础各符号的含义：各符号的含义：G溶体的自由能溶体的自由能H0A、H0B组元组元A、B0K时的焓时的焓 xA、xB

3、组元组元A、B的原子分数的原子分数 AB 相互作用参数相互作用参数R、T、Cp 分别为气体常数、绝对温度、等压比热分别为气体常数、绝对温度、等压比热 第8页/共83页第九页，编辑于星期日：十五点 四十三分。105.1.3 相图的热力学基础相图的热力学基础后两项（热能、温熵）与成分成线性变化，不影响曲线形状。后两项（热能、温熵）与成分成线性变化，不影响曲线形状。 1) A、B互不相溶（机械混合），则互不相溶（机械混合），则 Hxs=0 Sm=0， G与与x呈线性关系呈线性关系杠杆定律杠杆定律 2) A、B形成理想溶体，则形成理想溶体，则 AB=0 Hxs=0 Sm 0， G与与x呈凹形曲线呈凹形

4、曲线A、B以单相固溶体存在以单相固溶体存在 3) A、B形成非理想溶体形成非理想溶体对于规则溶体（对于规则溶体（ Sxs=0）溶体中的原子紧密堆垛溶体中的原子紧密堆垛1) Hxs 0， AB 0， Sm 0，G与与x呈凹形曲线呈凹形曲线A、B以单相固溶体以单相固溶体存在存在2) Hxs 0， AB 0， Sm 0，有两种情况：有两种情况： 熵项起主导作用（熵项起主导作用（T高）高）曲线下凹曲线下凹单相固溶体单相固溶体 焓项起主导作用（焓项起主导作用（T低）低）曲线中间上凸曲线中间上凸两相混合物两相混合物第9页/共83页第十页，编辑于星期日：十五点 四十三分。115.1.3 相图的热力学基础相图

5、的热力学基础公切线法则：公切线法则：对两相的自由能曲线作公切线，求取两相平衡的成分范围和平衡两相的成分点的方法。对两相的自由能曲线作公切线，求取两相平衡的成分范围和平衡两相的成分点的方法。相图计算：相图计算：根据不同温度下各相的自由能根据不同温度下各相的自由能成分曲线，结合公切线法则，可以计算相图。成分曲线，结合公切线法则，可以计算相图。 第10页/共83页第十一页，编辑于星期日：十五点 四十三分。125.1.4 典型相图介绍典型相图介绍第11页/共83页第十二页，编辑于星期日：十五点 四十三分。135.1.4 典型相图介绍典型相图介绍第12页/共83页第十三页，编辑于星期日：十五点 四十三分

6、。145.1.4 典型相图介绍典型相图介绍第13页/共83页第十四页，编辑于星期日：十五点 四十三分。155.1.4 典型相图介绍典型相图介绍第14页/共83页第十五页，编辑于星期日：十五点 四十三分。165.1.4 典型相图介绍典型相图介绍Al-Cu Fe-C 第15页/共83页第十六页，编辑于星期日：十五点 四十三分。175.1.4 典型相图介绍典型相图介绍Al-Cu-Mg第16页/共83页第十七页，编辑于星期日：十五点 四十三分。185.1.4 典型相图介绍典型相图介绍MgO-AL2O3-SiO2第17页/共83页第十八页，编辑于星期日：十五点 四十三分。19主要内容主要内容第18页/共

7、83页第十九页，编辑于星期日：十五点 四十三分。205.2 5.2 扩散过程扩散过程5.2.1 引言引言第19页/共83页第二十页，编辑于星期日：十五点 四十三分。215.2 5.2 扩散过程扩散过程5.2.1 引言引言第20页/共83页第二十一页，编辑于星期日：十五点 四十三分。225.2 5.2 扩散过程扩散过程5.2.2 扩散的宏观规律扩散的宏观规律第21页/共83页第二十二页，编辑于星期日：十五点 四十三分。235.2 5.2 扩散过程扩散过程5.2.2 扩散的宏观规律扩散的宏观规律第22页/共83页第二十三页，编辑于星期日：十五点 四十三分。245.2 5.2 扩散过程扩散过程5.2

8、.2 扩散的宏观规律扩散的宏观规律第23页/共83页第二十四页，编辑于星期日：十五点 四十三分。255.2 5.2 扩散过程扩散过程5.2.2 扩散的宏观规律扩散的宏观规律第24页/共83页第二十五页，编辑于星期日：十五点 四十三分。265.2 5.2 扩散过程扩散过程5.2.2 扩散的宏观规律扩散的宏观规律第25页/共83页第二十六页，编辑于星期日：十五点 四十三分。275.2.2 扩散的宏观规律扩散的宏观规律22xCDtC（D不是浓度的函数）不是浓度的函数）)(xCDxtC（D是浓度的函数）是浓度的函数）2 基本定律（重要公式）基本定律（重要公式）5.2 5.2 扩散过程扩散过程第26页/

9、共83页第二十七页，编辑于星期日：十五点 四十三分。28（推导见有关书籍）（推导见有关书籍） CCdCxdCxdtCD0)(21)(吴野面的物理意义是物质流经此平面进行扩散，扩散流吴野面的物理意义是物质流经此平面进行扩散，扩散流入量与扩散流出量相等。入量与扩散流出量相等。 2 基本定律（重要公式）基本定律（重要公式） 5.2 5.2 扩散过程扩散过程5.2.2 扩散的宏观规律扩散的宏观规律第27页/共83页第二十八页，编辑于星期日：十五点 四十三分。292 基本定律（重要公式）基本定律（重要公式）5.2.2 扩散的宏观规律扩散的宏观规律5.2 5.2 扩散过程扩散过程第28页/共83页第二十九

10、页，编辑于星期日：十五点 四十三分。30DDNDNABBAxNDDBAB)(xNDDABA)(式中式中NA、NB分别为分别为A、B组元在合金中的摩尔分数组元在合金中的摩尔分数DA、DB分别为分别为A、B组元浓度梯度下的扩散系数组元浓度梯度下的扩散系数v为为Kirkendall标志面的迁移速度标志面的迁移速度D为系统的综合扩散系数为系统的综合扩散系数 2 基本定律（重要公式）基本定律（重要公式）5.2.2 扩散的宏观规律扩散的宏观规律5.2 5.2 扩散过程扩散过程第29页/共83页第三十页，编辑于星期日：十五点 四十三分。312 基本定律（重要公式）基本定律（重要公式）5.2.2 扩散的宏观规

11、律扩散的宏观规律5.2 5.2 扩散过程扩散过程第30页/共83页第三十一页，编辑于星期日：十五点 四十三分。320tCBADD IMSSS00tC0tC0tCBADD BADD BADD IMSSS0IMSSS0IMSSS0a)b)c)d)5.2.2 扩散的宏观规律扩散的宏观规律5.2 5.2 扩散过程扩散过程第31页/共83页第三十二页，编辑于星期日：十五点 四十三分。335.2.3 扩散的微观规律扩散的微观规律1 随机行走理论随机行走理论 原子的迁移是通过无规则行走（原子的迁移是通过无规则行走（random walking）实现的。揭示扩散时原子实现的。揭示扩散时原子传递过程的物理图象。

12、传递过程的物理图象。 fPbD25.2 5.2 扩散过程扩散过程第32页/共83页第三十三页，编辑于星期日：十五点 四十三分。341 随机行走理论随机行走理论 式中式中a为点阵常数为点阵常数 为几何因子，为几何因子，b为跃迁距离在扩散方向上的投影（一般为面间距）其中为跃迁距离在扩散方向上的投影（一般为面间距）其中 = 对扩散有直接贡献的可跳位置数对扩散有直接贡献的可跳位置数/总的可跳位置数总的可跳位置数 对于不同的晶体结构，有一般关系式：对于不同的晶体结构，有一般关系式：fafbD225.2.3 扩散的微观规律扩散的微观规律5.2 5.2 扩散过程扩散过程第33页/共83页第三十四页，编辑于星

13、期日：十五点 四十三分。351 随机行走理论随机行走理论 以面心立方间隙原子为例：以面心立方间隙原子为例： 间隙原子在最近邻的八面体间隙间跳动，间隙原子在最近邻的八面体间隙间跳动， = 4/12 = 1/3 = a/2，则则 D = fa2/12 5.2.3 扩散的微观规律扩散的微观规律5.2 5.2 扩散过程扩散过程第34页/共83页第三十五页，编辑于星期日：十五点 四十三分。36扩散机制扩散机制1236754空位机制空位机制置换式固溶体中置换式固溶体中的主导机制的主导机制。间隙机制间隙机制 填隙式固溶体中的主填隙式固溶体中的主导机制导机制 5.2.3 扩散的微观规律扩散的微观规律5.2 5

14、.2 扩散过程扩散过程第35页/共83页第三十六页，编辑于星期日：十五点 四十三分。37影响扩散系数的因素影响扩散系数的因素 温度温度Arrhenius方程方程 晶体缺陷晶体缺陷表面、晶界、位错表面、晶界、位错 晶体结构晶体结构同素异构转变（同素异构转变（D /D =280）、）、各向异性各向异性 固溶体类型固溶体类型填隙式，填隙式，Q小因而扩散快。小因而扩散快。 扩散元素性质扩散元素性质 扩散组元浓度扩散组元浓度 第三组元（杂质）第三组元（杂质） 外力场（应力场、电场、磁场、表面张力等）外力场（应力场、电场、磁场、表面张力等） 5.2.3 扩散的微观规律扩散的微观规律5.2 5.2 扩散过程

15、扩散过程第36页/共83页第三十七页，编辑于星期日：十五点 四十三分。385.2.4 扩散热力学扩散热力学或或22CGMD)lnln1 (CBkTDM为正的比例常数为正的比例常数 为克原子密度为克原子密度 G为系统自由能为系统自由能 B原子迁移速率原子迁移速率 为活度系数为活度系数 C为原子浓度为原子浓度 5.2 5.2 扩散过程扩散过程第37页/共83页第三十八页，编辑于星期日：十五点 四十三分。39022CG022CG上坡扩散（逆扩散）上坡扩散（逆扩散）与与Fick定律相反定律相反5.2.4 扩散热力学扩散热力学5.2 5.2 扩散过程扩散过程第38页/共83页第三十九页，编辑于星期日：十

16、五点 四十三分。405.2.5 几种典型的扩散过程几种典型的扩散过程 铸锭均匀化铸锭均匀化 模型：模型： 22xCDtCxACxCsin)(000CC 0dxdc初始条件：初始条件：边界条件：边界条件： C0A0 x=0 x=浓度控制方程：控制方程： (t0 , x=0) (t0, x=/2) 5.2 5.2 扩散过程扩散过程第39页/共83页第四十页，编辑于星期日：十五点 四十三分。41铸锭均匀化铸锭均匀化 方程的解为：方程的解为： )/exp()sin(),(2200DtxACtxC当当x= /2时，时， )/exp(),(2200DtACtxC当成分偏析降低当成分偏析降低1%，有，有 D

17、t2467.0根据上式得出两个重要物理概念：根据上式得出两个重要物理概念： 在给定退火温度下，退火时间与在给定退火温度下，退火时间与 平方成正比。（晶粒细化、锻造）平方成正比。（晶粒细化、锻造） 退火时间与扩散系数成反比。（高温退火）退火时间与扩散系数成反比。（高温退火） 5.2.5 几种典型的扩散过程几种典型的扩散过程 5.2 5.2 扩散过程扩散过程第40页/共83页第四十一页，编辑于星期日：十五点 四十三分。42表面扩散表面扩散 （渗碳、渗氮、喷涂、激光重熔、着色、氧化）（渗碳、渗氮、喷涂、激光重熔、着色、氧化） 渗碳渗碳 1）无限大物体的扩散）无限大物体的扩散 定解条件定解条件22xC

18、DtC扩散方程扩散方程 C=C1 (t = 0 , x 0)C=C2 (t = 0 , x 0)0 xC(t 0 , t = )5.2.5 几种典型的扩散过程几种典型的扩散过程 5.2 5.2 扩散过程扩散过程第43页/共83页第四十四页，编辑于星期日：十五点 四十三分。45表面扩散表面扩散 方程的解为方程的解为 )2(10DtxerfCC方程的解反映了扩散路程方程的解反映了扩散路程x、扩散系数扩散系数D和扩散时间和扩散时间t之间的关系。之间的关系。在钢铁渗碳处理中，当在钢铁渗碳处理中，当0时，有近似关系：时，有近似关系：Dtx 5.2.5 几种典型的扩散过程几种典型的扩散过程 5.2 5.2

19、 扩散过程扩散过程第44页/共83页第四十五页，编辑于星期日：十五点 四十三分。46主要内容主要内容第45页/共83页第四十六页，编辑于星期日：十五点 四十三分。475.3 相变原理相变原理第46页/共83页第四十七页，编辑于星期日：十五点 四十三分。485.3 相变原理相变原理第47页/共83页第四十八页，编辑于星期日：十五点 四十三分。495.3 相变原理相变原理第48页/共83页第四十九页，编辑于星期日：十五点 四十三分。505.3 相变原理相变原理第49页/共83页第五十页，编辑于星期日：十五点 四十三分。515.3 相变原理相变原理第50页/共83页第五十一页，编辑于星期日：十五点

20、四十三分。525.3 相变原理相变原理横向：重构型相变横向：重构型相变 纵向：位移型相变纵向：位移型相变第51页/共83页第五十二页，编辑于星期日：十五点 四十三分。535.3 相变原理相变原理第52页/共83页第五十三页，编辑于星期日：十五点 四十三分。545.3 相变原理相变原理3 有序无序转变有序无序转变 多组元固溶体中多组元固溶体中当温度降低时发生的当温度降低时发生的晶格中原子从统计随晶格中原子从统计随机分布状态向不同原机分布状态向不同原子分布占据不同亚点子分布占据不同亚点阵的有序化状态的转阵的有序化状态的转变。变。第53页/共83页第五十四页，编辑于星期日：十五点 四十三分。555.

21、3 相变原理相变原理第54页/共83页第五十五页，编辑于星期日：十五点 四十三分。565.3 相变原理相变原理第55页/共83页第五十六页，编辑于星期日：十五点 四十三分。575.3 相变原理相变原理第56页/共83页第五十七页，编辑于星期日：十五点 四十三分。585.3 相变原理相变原理第57页/共83页第五十八页，编辑于星期日：十五点 四十三分。595.3 相变原理相变原理0mmSLBTTLGGG均匀形核：均匀形核：结构起伏结构起伏克服达到临界晶核的障碍，存在临界过冷度克服达到临界晶核的障碍，存在临界过冷度 TLTGrmmBK22第58页/共83页第五十九页，编辑于星期日：十五点 四十三分

22、。605.3 相变原理相变原理)4coscos32()4coscos32(3163323KBLKGGG第59页/共83页第六十页，编辑于星期日：十五点 四十三分。615.3 相变原理相变原理第60页/共83页第六十一页，编辑于星期日：十五点 四十三分。625.3 相变原理相变原理第61页/共83页第六十二页，编辑于星期日：十五点 四十三分。63South China University of Technology5.3 相变原理相变原理)exp(1nKtf第62页/共83页第六十三页，编辑于星期日：十五点 四十三分。645.3 相变原理相变原理第63页/共83页第六十四页，编辑于星期日：十五

23、点 四十三分。65主要内容主要内容第64页/共83页第六十五页，编辑于星期日：十五点 四十三分。665.4.1 引言引言第65页/共83页第六十六页，编辑于星期日：十五点 四十三分。675.4.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形第66页/共83页第六十七页，编辑于星期日：十五点 四十三分。685.4.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形第67页/共83页第六十八页，编辑于星期日：十五点 四十三分。695.4.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形第68页/共83页第六十九页，编辑于星期日：十五点 四十三分。705.4.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形第69页/共83页第七十页，编辑于星期日：十五点 四十三分。715.4.4 合金的塑性变形合金的塑性