材料动力学过程

1、关于材料的动力学过程第一张，PPT共三十一页，创作于2022年6月1 第7章 固体材料的动力学过程 -激活、扩散及相关材料问题7.1 材料状态改变、过程与激活能7.2 玻尔兹曼分布与阿伦尼乌斯定律及其应用7.3 金属材料中的原子扩散过程7.4 离子晶体、共价晶体和聚合物中的扩散 7.5 材料中的动力学7.6 材料中的动力学7.7 材料中的动力学第二张，PPT共三十一页，创作于2022年6月2 7.1 材料状态改变、过程与激活能 7.1.1 状态改变与过程 状态 状态 过程三共性：方向、 途径、结果方向自由能降低途径阻力最小（激活能最低) 结果适者生存 某过程例1：wc=0.8%的共析碳钢： 退

2、火（炉冷）球状珠光体 正火 (空冷) 片层状索氏体 淬火 (水冷) 马氏体例2： wc=1.1%的过共析碳钢：（P+Fe3C). 经长时退火Fe3C既可球化而降低界面能，也可分解为石墨降低其化学自由能。第三张，PPT共三十一页，创作于2022年6月3 7.1.2 亚稳状态与激活能 图7-1 : 砖的几种状态（a）亚稳定（b）不稳定（c）稳定（平衡状态） 推力F较小时,（a）（a）态；推力F足够大时，（a）态（b）激活态 （c）稳态 特点： 从亚稳态转变到稳定态是非自发的，需要借 助于某种推动即热激活过程。亚稳态存在的普遍性:提纯的金属;多种材料的实用组织状态均是亚稳态。亚稳态是由动力学因素所造

3、成的非平衡态。它是自由能极小值状态，不是最小值状态。 vB(能垒高度) vA Q ( 激活能 ) vA(亚稳态) vC(稳态) H ( 反应热 )第四张，PPT共三十一页，创作于2022年6月47.2 玻尔兹曼分布与阿伦尼乌斯定律及其应用途径一：火车 约9小时途径二：汽车 约7小时 途径一：飞机 约1小时兰州西安第五张，PPT共三十一页，创作于2022年6月57.2.1 反应途径反应进行的途径(或过程进行的方式)不只一种，但沿不同途径所需的激活能各不相同 。末位置：（0 ) 反应途径： :(000)初位置：（000） （0 ) :(000) (00 ) （0 )图7-3 面心立方晶体中 空位迁

4、移的途径 第六张，PPT共三十一页，创作于2022年6月6图7-4 : 原子沿P1途径的势能变化 图7-5 :原子沿P2途径的势能变化 不同途径原子所需势能对比第七张，PPT共三十一页，创作于2022年6月7 7.2.2 原子、分子的热能分布与玻尔兹曼定律在一定温度（T）下材料内原子热运动平均能量为 3/2（KT）,或 3/2（RT）（1mol原子）每原子的能量并不完全相同，遵循玻尔兹曼统计分布： 具有能量为EE+dE内的原子数目dN = Aexp (E/KT)dE则原子总数： NT = 0 Aexp(E/KT)dE = AKT, A = NT / KT能量大于某值q的原子数目:N=qAexp

5、(E/KT)dE = NTexp(q/KT), N/NT = exp(q/KT) 图7-6 麦克斯韦-玻尔兹曼分布第八张，PPT共三十一页，创作于2022年6月8 7.2.3 阿伦尼乌斯定律 由于能克服某过程能垒进行反应的原子比例为 exp(-Q/KT) (Q为激活能)，故反应速度正比于此原子比例： V = Aexp(Q/KT) 或 V = Aexp(Q/RT) Arrhenius定律 R=N0K取对数： lnV = lnAQ/RT = 常数Q/R（1/T）图7-7 lnV与1/T的关系lnV = lnA(Q/R).1/Tln(或 lg )V 与 1/T呈线性关系，对数坐标作图由 V、T 可求

6、 Q。影响V（反应速度）的二要素：Q 与 T多个过程竞争时。Q小的过程V 最大， 捷足先登 ；过程的T V 第九张，PPT共三十一页，创作于2022年6月92Cx2=DCtxCx(D )JxFick律结合具体情况，可有多种形式的解，给出C=f（x,t） 关系式,从而工程应用（P201）。 7.3 金属材料中的原子扩散过程7.3.1 扩散现象与规律(1) 扩散现象浓度梯度与扩散，下坡扩散与上坡扩散，自扩散与互扩散。(2) 菲克定律稳定扩散（浓度c不随时间t而变）用Fick I 律,特点:无物质积累扩散通量:JCXJ=DCX非稳定扩散用Fick律,存在物质积累,引起浓度C随时间的变化：第十张，PP

7、T共三十一页，创作于2022年6月10主要扩散机制：空位机制与间隙机制空位扩散间隙扩散填隙子扩散环状扩散7.3.2 扩散机制、扩散激活能与扩散途径图7-9 材料中的扩散机制 第十一张，PPT共三十一页，创作于2022年6月11 扩散激活能: QV QI 空位机制： 空位形成能 +跳动激活能 间隙机制：跳动激活能图7-10 扩散的原子彼此挤压，需要高能量的激活能Q，一般置换原子所需能量比间隙原子的大 第十二张，PPT共三十一页，创作于2022年6月12体扩散（晶格扩散): Q大，主要的。 短路扩散（晶界，位错和表面扩散): Q小，占比例小， 高低温下作用大。 扩散途径:7.3.3 影响因素：Q与

8、T D = D0exp(-Q/RT) Arrhenius关系 Q D T D , 扩散速度第十三张，PPT共三十一页，创作于2022年6月137.4 离子晶体，共价晶体和聚合物中的扩散7.4.1 离子晶体与共价晶体中原子的扩散特 点： 扩散离子只能进入同等位置, 保持电 中性。 Q大（来自大的静电引力），D小。 DMe+DMe-。(1) 离子晶体(2) 共价晶体特 点：虽原子排列疏松（致密度低），由于强大 方向键，扩散缓慢；典型应用：半导体掺杂（p205）。图7-11 离子化合物中的扩散。阳离子只能进入其它阳离子位置 第十四张，PPT共三十一页，创作于2022年6月14 7.4.2 高聚物与非

9、晶体中的扩散 高聚物中扩散的特点：大分子链尺寸太大，扩散缓慢（链内的单个原子由于共价结合，不可能单独移动）； 高聚物自扩散的主要形式是分子链段运动。 工程上重要地是外来原子或分子的扩散：渗透或吸收。 吸收：较小分子进入聚合物的某个位置并保留下来，例染料。 渗透：较小分子扩散通过聚合物，例膜片对于海水的选择性 通过（海水淡化）等。 非晶体中扩散的特点（例硅酸盐非晶态）： Si、O原子间强结合，原子扩散困难; 移动的是Si-O四面体 单元，故扩散缓慢。 小原子（H、He等）易通过非晶体的疏松区玻璃在高真空 应用的局限性。 第十五张，PPT共三十一页，创作于2022年6月15 7. 材料中的动力学：

10、扩散与材料行为 . 晶体长大与扩散现象:, 细小晶粒较粗大晶粒，大晶粒吞并小晶粒， 凹面变平。为自发过程。机理：晶界附近原子跨越晶界运动（扩散）界面迁移平均晶粒尺寸增大。定量关系(恒温)： d = (k t) n 某T时，组织中障碍（粒子尺寸r、体积分数f）阻碍晶粒长大： R = d/2 = 4r / 3f图7-12: 原子从一晶粒穿过晶界向另一晶粒扩散时，即 发生晶粒长大。第十六张，PPT共三十一页，创作于2022年6月167.5.2 扩散焊用途：用于稀有合金（Ti合金等）、异种金属陶瓷材料等。 三步骤：高温加压、塑变贴合（压平，尚有部分孔洞） 原子界面扩散(明显快于晶内的体积扩散),孔洞尺

11、寸 ,并被基体包围体扩散、孔洞消失(接头完全焊合)。 图7-13 :扩散焊步骤（a）开始时接触面很小；（b）加压使表面变形，增加了连接面； （c）晶界扩散 使空洞缩小；（d）空洞的最终消除需要通过体积扩散。第十七张，PPT共三十一页，创作于2022年6月177.5.3 粉末冶金与烧结 用途：粉末冶金制品，陶瓷制备 步骤：微粒（粉末） 机械变形（模压）或粘结坯高温 长时间（原子扩散及某些反应）烧结密实化制品。图7-14 : 烧结和粉末冶金过程中的扩散过程 原子向接触点扩散，产生桥结并最终填满孔隙。第十八张，PPT共三十一页，创作于2022年6月18因素：粉末越细、温度越高、烧结速度越快。致密化速

12、率：7.5.4 蠕变与扩散（creep）（课后自行阅读和总结）7.5.5 材料的氧化（oxidation） （自学）d/dT=（c/an）exp（Q/RT）a- 颗粒尺寸，c、n为常数，Q 为激活能 第十九张，PPT共三十一页，创作于2022年6月197.6 材料中的动力学:材料相变动力学特征 相变的实用意义：与材料制备、材料加工处理及性能改善等密切相关。7.6.1 相变的一般机制与特点 化学成分改变，结构改变，表面能数量变化，晶界能数量改变应变能数量的改变。相变机制：形核+长大 转变完成图7-15 -界面附近的自由能变化Q=G（）为能垒、激活能，G=GG为反应热 / 驱动力相变（转变）是材料

13、状态的变化：第二十张，PPT共三十一页，创作于2022年6月20 相变条件：T相变滞后，对应的G即相变驱动力。G0原子扩散、移动、调整位置。 固态相变特点（自学P212） 生核方式：均匀（自发）形核和不均匀 (非自发)形核；二者竞争，常非自发形核。7.6.2 固态相变（转变）的主要类型与特征晶粒长大：驱动力为晶界能 ，不形核，晶体结构不变，原子 扩散距离 1nm。再结晶：驱动力为应变能，形核，生成无畸变晶粒，原子局 部重排 1nm。多晶型转变：驱动力为新、旧相自由能差， 生成结构不同的新 相, 原子局部重排 1nm。第二十一张，PPT共三十一页，创作于2022年6月21图7-17 等温析出（9

14、0Pb-10Sn）图7-16 固溶处理和析出固溶与析出：驱动力为新、旧相自由能差，有新相、有成分 变化，需原子大量扩散1nm。 +第二十二张，PPT共三十一页，创作于2022年6月22共析转变：驱动力为体积自由能差，两个新相，大量（长程）扩散1nm。钢中，A（奥氏体）F+Fe3C（珠光体）以上共性：扩散型转变，多获得平衡组织结构。若条件不充分，尤其快冷时，会得到各种非平衡组织，甚至籍无扩散方式转变。图7-18 珠光体的形成图7-19 退火后的铁碳合金（渗碳体）和马氏体的硬度与含碳量的关系曲线第二十三张，PPT共三十一页，创作于2022年6月23特点：无扩散（1nm），由剪切切变产生晶型变化 （

15、钢从面心立方体心四方），属非稳定相。 一定条件下（T，t）即向稳定相过渡（回火过程）：慢冷A（fcc） 快冷M（bct）硬而脆A1（727）F（bcc）+Fe3C回火（T，t）， 使脆性马氏体转变与回火（M transformation and tempering ）第二十四张，PPT共三十一页，创作于2022年6月247.6.3 转变的动力学曲线与C曲线（1）转变速率与动力学曲线 转变速率（R）取决于生成速率（N）与长大速率（G）： . R = f（N，G）. 影响转变速率的二因素： GV（驱动力）使新相持续形成的必要条件（热力学条件）； 原子活动性使原子长程、短程迁移成为可能（动力学条件）

16、。. 转变温度（T）的重要影响：T高时-GV小，但扩散能力强，控制因素是GVT低时, GV大，但扩散能力弱，控制因素是 D（2）多晶体的形成 液固:过冷液体形核（小晶体）三维长大等轴多晶体。若方向性散热（如沿模壁） 方向性组织（柱状晶）；若两个相同时析出，交替长大片层状或其他复杂形状（如共晶 莱氏体） 形成C形曲线 （见次页图） 第二十五张，PPT共三十一页，创作于2022年6月25图7-20 gv和D与转变温度的关系 图7-23 扩散型相变的等温转变曲线图7-21 界面迁移率与温度的关系 图7-22 转变速率与温度的关系 第二十六张，PPT共三十一页，创作于2022年6月26 固固转变：若完

17、全转变形成单相（ ）易呈等轴晶；若形成双相（AF+Fe3C ）易呈片层状组织。若部分转变（=+），晶界析出和向晶内长大（T高时） 或晶内均布（T低时）；若剧冷（AM）,以无扩散方式转变或母相的低温保留（残A）。 图7-24 固相析出示意图第二十七张，PPT共三十一页，创作于2022年6月27实例：钢的奥氏体过冷转变图7-25 :奥氏体分解的等温转变曲线（SAE 1080）第二十八张，PPT共三十一页，创作于2022年6月28高聚物部分结晶的适宜条件： 材料特征:线形结构 温度:TgTm之间,约0.8Tm+充分时间(退火)7.7 材料中的动力学 牵引工艺:加拉伸应力，促进紊乱的线型分子链规则排列。 图7-26 部分结晶高聚物的两相模型 第二十九张，PPT共三十一页，创作于2022年6月29本 章 小 结 材料中原子通常处在稳定或亚稳状态，从一个状态到另一状态，或材料内部的微观过程都需要激活能-引起特定反应的能量。如原子扩散的激活能。 描述热