材化第五章
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第五章 木材的化学性质
灰分多，热水抽提物含量高，纤维素与聚戊糖含 量则少。
5.2 木质素 lignin
1.木质素的存在：
存在于高等植物中。 主要是在木质化植物的 细胞壁中。
木质素可分为三种:阔 叶树木质素、针叶树木 质素和草类木质素。
在木本植物中,木质素 含量为20％－35％,在 草本植物中为15％-25
图5－1 云杉木质素的结构示意图
（3）水解反应(磺化)：木质素与亚硫酸盐在高温下 蒸煮，发生磺化反应。木质素经磺化，形成含有或 多或少硫的固态木素磺酸。 固态木素磺酸渐渐转为水溶性的木质素磺酸， 这过程受H+浓度的左右，故可认为这就是一种水 解过程。
（4）光解反应：木材的光降解主要发生于木质素 。对光木质素是不稳定的。
（5）碱液对木质素的作用（脱木素反应）
6.木质素的化学性质
（1）显色反应 因为木质素中含有一些特殊基团，如乙烯基、羰基、苯基等具
有共轭双键的发色基团；以及羟基、羧基等助色基团，会使木材 产生颜色。同时木质素可和许多有机化合物，无机化合物发生特 殊的颜色反应，这对研究木材的颜色及其变化，细胞壁木质化程 度确定木质素在细胞壁中的分布和木质素大分子的功能基者很重 要，同时，还可作为区分针、阔叶树材及木材染色的依据。用苯 酚与盐酸处理木材时，木质素产生蓝绿色；用盐酸苯胺处理，木 质素产生黄色；用间苯三酚与盐酸处理，木质素产生红紫色，具 体见下表：
木质素中结构单元的主要键型
（5）木素的主要官能团 为：甲氧基(-OCH3，存 在于苯环上)、羟基(-OH ，酚羟基和脂肪族羟基) 和羰基(-C=O，主要存 在于侧链上)；
（6）木质素与糖类连接 ：糖苷键连接、缩醛键 连接、酯键连接和醚键 连接。
（7）木质素的结构模型 ：木素的结构复杂，通 常所说的木素结构是指 木素的基本结构单元的 形式以及它们之间的联 结方式等。
5.2 木质素 lignin
1.木质素的存在：
存在于高等植物中。 主要是在木质化植物的 细胞壁中。
木质素可分为三种:阔 叶树木质素、针叶树木 质素和草类木质素。
在木本植物中,木质素 含量为20％－35％,在 草本植物中为15％-25
图5－1 云杉木质素的结构示意图
（3）水解反应(磺化)：木质素与亚硫酸盐在高温下 蒸煮，发生磺化反应。木质素经磺化，形成含有或 多或少硫的固态木素磺酸。 固态木素磺酸渐渐转为水溶性的木质素磺酸， 这过程受H+浓度的左右，故可认为这就是一种水 解过程。
（4）光解反应：木材的光降解主要发生于木质素 。对光木质素是不稳定的。
（5）碱液对木质素的作用（脱木素反应）
6.木质素的化学性质
（1）显色反应 因为木质素中含有一些特殊基团，如乙烯基、羰基、苯基等具
有共轭双键的发色基团；以及羟基、羧基等助色基团，会使木材 产生颜色。同时木质素可和许多有机化合物，无机化合物发生特 殊的颜色反应，这对研究木材的颜色及其变化，细胞壁木质化程 度确定木质素在细胞壁中的分布和木质素大分子的功能基者很重 要，同时，还可作为区分针、阔叶树材及木材染色的依据。用苯 酚与盐酸处理木材时，木质素产生蓝绿色；用盐酸苯胺处理，木 质素产生黄色；用间苯三酚与盐酸处理，木质素产生红紫色，具 体见下表：
木质素中结构单元的主要键型
（5）木素的主要官能团 为：甲氧基(-OCH3，存 在于苯环上)、羟基(-OH ，酚羟基和脂肪族羟基) 和羰基(-C=O，主要存 在于侧链上)；
（6）木质素与糖类连接 ：糖苷键连接、缩醛键 连接、酯键连接和醚键 连接。
（7）木质素的结构模型 ：木素的结构复杂，通 常所说的木素结构是指 木素的基本结构单元的 形式以及它们之间的联 结方式等。
材料力学性能第五章_金属的疲劳
“彗星号”客机悲剧是世界航空史上首次发生的因金属 疲劳而导致飞机失事的事件，从此，在飞机设计中将结构 疲劳极限正式列入强度规范加以要求。
飞机舷窗
高速列车
5.1.3 疲劳宏观断口特征
疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多 断裂信息，具有明显的形貌特征，而这些特征又受材料 性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对 疲劳断口的分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的 一种重要方法。 疲劳断裂经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较 低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应
疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命 的预测就显得十分重要和必要。
对缺口、裂纹及组织等缺陷十分敏感，即对缺陷 具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力 集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷(夹杂、 疏松、白点、脱碳等)，将降低材料的局部强度， 二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。
18
应力σmax/10MPa
40
20
灰铸铁
0 103 104
105
106
107
循环周次/次
108
109
41
图 几种材料的疲劳曲线
疲劳极限
有水平段（碳钢、合金结构钢、球铁等） 经过无限次应力循环也不发生疲劳断裂，将对应
的应力称为疲劳极限，记为σ-1（对称循环）
无水平段（铝合金、不锈钢、高强度钢等） 只是随应力降低，循环周次不断增大。此时，根 据材料的使用要求规定某一循环周次下不发生断 裂的应力作为条件疲劳极限。 例：高强度钢、铝合金和不锈钢：N＝108周次 钛合金：N＝107周次
大小：瞬断区大小与机件承受名义应力及材料性质 有关，高名义应力或低韧性材科，瞬断区大；反之。 瞬断区则小。
飞机舷窗
高速列车
5.1.3 疲劳宏观断口特征
疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多 断裂信息，具有明显的形貌特征，而这些特征又受材料 性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对 疲劳断口的分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的 一种重要方法。 疲劳断裂经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较 低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应
疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命 的预测就显得十分重要和必要。
对缺口、裂纹及组织等缺陷十分敏感，即对缺陷 具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力 集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷(夹杂、 疏松、白点、脱碳等)，将降低材料的局部强度， 二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。
18
应力σmax/10MPa
40
20
灰铸铁
0 103 104
105
106
107
循环周次/次
108
109
41
图 几种材料的疲劳曲线
疲劳极限
有水平段（碳钢、合金结构钢、球铁等） 经过无限次应力循环也不发生疲劳断裂，将对应
的应力称为疲劳极限，记为σ-1（对称循环）
无水平段（铝合金、不锈钢、高强度钢等） 只是随应力降低，循环周次不断增大。此时，根 据材料的使用要求规定某一循环周次下不发生断 裂的应力作为条件疲劳极限。 例：高强度钢、铝合金和不锈钢：N＝108周次 钛合金：N＝107周次
大小：瞬断区大小与机件承受名义应力及材料性质 有关，高名义应力或低韧性材科，瞬断区大；反之。 瞬断区则小。
7第五章木材的化学性质全解
（4）热解（cellulose pyrolysis） ： 在热作用下，纤维素降解程
度与加热温度、时间以及加热介质的组成相关。纤维素热解不仅引 起分子链断裂，还有脱水、氧化等反应发生。
（5）光降解（cellulose photochemical degradation） ：波长愈短， 光强度愈大，对纤维素的降解作用也愈大。光对纤维素的降解作用 有两种类型：光解作用;光敏作用。 （6）生物降解:纤维素在微生物作用下，可产生有用的物质，如醋酸、 乙醇、丁酸等。 （7）机械降解：纤维素纤维原料在研磨、压碎或强烈压缩时受到机 械作用往往降解，使反应能力提高，其原因在于大分子的价键及分
单一糖基，葡萄糖基
半纤维素 多种糖基，如D-葡萄糖、D-半 乳糖、D-木糖、D-甘露糖、L阿拉伯糖、4-氧-甲基-D葡萄糖 醛酸。
200～700 线形，常带各种支链
聚合度 链形
7000～15000 直链线形
结晶性
吸湿性
结晶区和无定形区，为 细胞壁的骨架物质
基体物质，无结晶
吸附水只能进入无定形 更大一般为无定形物质，水分 区，结晶区对润胀有限 子容易进，故吸湿性和润胀度 比纤维素高。 制作用
2、可及度 可及度：指化学药剂所能到达并发生反应的部
分占其纤维素整体的百分率。水不能进入纤维素的结 晶区，只能进入结晶区的表面和无定形区。
3、纤维素的氢键
分子间的氢键：
分子内的氢键：
图 5-9 分子内的氢键 分子间的氢键
氢键的作用：
（ 1 ）湿法纤维板（ wetting method fiber-board ）成板理 论（一是氢键结合理论，二是木素结合理论） 打浆使游离羟基数目增加，改善形成氢键的条件，板 坯的热压——提高板内各组分功能基的活性，使功能基之 间的距离缩短，形成氢键和范德华力，增强板的结合强度， 无胶成板。 （2）木材力学强度之所以在纤维饱和点以下随水分减少而增 大，纤维素大分子之间形成的氢键是主要原因之一。 （3）干燥过程中，木材水分初期易蒸发，后期不易蒸发也和 水分与木材之间形成的氢键有关。
第五章 第三节 无机非金属材料 第二课时 教案--高一下学期化学人教版(2019)必修第二册
无机非金属材料第二课时教案一、教学内容分析（一）课标分析本课内容在《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中对应必修课程模块二常见的无机物及其应用中主题“5—非金属及其化合物”的内容。
通过对课标进行分析，可得到如下三类具体教学内容。
【内容要求】2.5非金属化合物结合真实情景中的应用实例或通过实验探究，了解费劲使及其化合物的主要性质，认识这些物质在生产中的应用和对生态环境的影响。
2.6物质性质及物质转化的价值了解通过化学反应可以探索物质性质、实现物质转化，认识物质及其转化在促进社会文明进步、自然资源综合利用和环境保护中的重要价值。
【教学提示】教学策略发挥核心概念对元素化合物学习的指导作用；重视开展高水平的实验探究活动；紧密联系生产和生活实际，创设丰富多彩的真实问题情境。
【学业要求】1、能列举、描述、辨识典型物质重要的物理和化学性质及实验现象，能用化学方程式、离子方程式正确表示典型物质的主要化学性质。
2、能利用典型代表物的性质和反应，设计常见物质制备分离提纯检验等简单任务的方案。
能从物质类别和元素价态变化的视角说明物质的转化途径。
综上，对于“无机非金属材料”一课，需要基于课标建立实际情境，帮助学生学会掌握利用物质的相关性质进行分离提纯，建立在工业上从矿石中提取高纯物质的模型，培养学生的科学意识和社会责任感。
（二）教材分析本节课立足于义务教育阶段人教版必修二第一章第三节的第二课时部分，本节位于“”的最后一节，在本章前两节学生已经学习了硫、氮的结构、性质、转化和应用，非金属元素的学习马上进入尾声，同时，第一课时中介绍了传统硅酸盐材料的组成、性能和应用以及硅和二氧化硅的性质，本节课则主要介绍新型无机非金属材料，包括硅和二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料、以及这些材料在信息、能源领域的应用，并以二氧化硅的提纯、高纯硅的提纯的讨论探究为例，对硅及其化合物的性质进行归纳复习。
二、学情分析本节课的授课对象是普通高中的高一学生。
《材料科学基础》课件——第五章相平衡与相图第一节第二节第三节第四节
相和相平衡
Байду номын сангаас四、自由度与相律
1、自由度：平衡系统中独立可变的因素
自由度数：独立可变的强度变量的最大数目
(强度变量与广度变量的区别）
2、相律：自然规律
在平衡系统中由于受平衡条件的制约，系统内
存在的相数有一定限制。 组元数 相数P≥1
吉布斯相律：不可为负数
f=c-p+n
外界影 响因素
通常外界影响因素只考虑T、P，所以f=c-p+2
• 掌握匀晶，包晶，共晶相图的特点，进而了解二元合金的一些平衡凝固，固 相转变的规律。
• 重点难点： • 二元系相图的建立，杠杆定律 • 包晶相图，共晶相图，共晶合金 • 相图分析，各种液固，固相转变的判断
材料的性能决定于内部的组织结构，而组织结构
又由基本的相所组成。
相：均匀而具有物理特性的部分，并和体系的其他 部分有明显界面。
晶型转变过程都是在恒温下进行，并伴随有体 积、密度的变化。 2、SiO2系统相图 α-石英与β-石英相变相当慢， β-石英常因冷却过快而被保留 到室温，在常压下，低于573℃
单元系相图
β-石英很稳定，所以自然界或低温时最常见的是 β-石英。晶型转变时，体积效应特别显著。 Al2O3、ZrO2也具有多晶型转变。 3、聚合物相图 （1）状态由分子间作用力决定，分子间约束力弱
共晶相图，平衡凝固，共晶合金，包晶相图，形成化合物的相图，含有双液 共存区的相图，熔晶相图等 ，二元相图的几何规律 ，单相，双相及三相共 存区，相图特征 ，二元系相图的分析，分析的方法与步骤，分析举例。
• 教学目的： • 学习相平衡与相图的基本知识，了解相图在材料科学学习中的重要性，学会
相图的使用。
材料性能学第五章 材料的疲劳性能
§5.2 疲劳破坏的机理
一、疲劳裂纹的萌生
因变动应力的循环作用，裂纹萌生往往在材料薄弱区或 高应力区，通过不均匀滑移、微裂纹形成及长大而完成。常 将长0.05～0.10mm的裂纹定为疲劳裂纹核，对应的循环周期 为裂纹萌生期,其长短与应力水平有关。疲劳微裂纹由不均 匀滑移和显微开裂引起的，主要方式有表面滑移带开裂；第 二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂；晶界或亚晶界 处开裂，如下图所示。
σ-1p=0.85σ-1
• 铸铁:
σ-1p=0.65σ-1
• 钢及轻合金:
τ-1=0.55σ-1
• 铸铁:
τ-1=0.80σ-1
• 同种材料的疲劳强度σ-1＞σ-1p ＞τ-1。这些经验关系尽
管有误差(10～30%),但用于估计疲劳强度值还有一定的参考
价值。
4.疲劳强度与静强度间关系
材料的抗拉强度愈大,其疲劳强度也愈大。中、低强度钢,
(1)该破坏是一种潜藏的突发性破坏，不论在静载下显 示韧性或脆性破坏的材料，在疲破坏前均不会发生明显的塑 性变形，呈脆性断裂,易引起事故造成经济损失。
(2)疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命的 预测就显得十分重要和必要。
(3)疲劳对缺陷(缺口,裂纹及组织)十分敏感，即对缺陷 具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大 对材料的损伤作用；组织缺陷(夹杂、疏松、白点、脱碳等), 将降低材料的局部强度，二者综合更加速疲劳破坏的起始与 发展。
1.对称循环疲劳强度
对称应力循环时，应力比r=-1，平均应力
σm=0，故将σ-1定义为材料的对称循环疲劳强
度。 常见的对称循环载荷有对称弯曲,对称扭转、
对称拉压等。 对应的疲劳强度分别记为σ-1,τ-1 及σ-1P,其中σ-1是最常用的。
高中化学第五章进入合成有机高分子化合物的时代第二节应用广泛的高分子材料课件新人教版选修
刷基础
2.下列有关线型高分子和体型高分子的说法错误的是( D )
A．线型高分子是由许多链节相互连接成链状，通常不具有或很少具有支链，而体型高分 子则是长链跟长链之间产生交联 B．线型高分子通常具有热塑性，而体型高分子通常具有热固性 C．线型高分子可在适当溶剂中溶解，而体型高分子通常很难溶解在任何溶剂中 D．体型高分子化合物的相对分子质量一定比线型高分子化合物的相对分子质量大
解析
线型结构的聚乙烯加热可熔融，是热塑性材料，A项正确；用氨水催化生成的酚醛树脂为网 状结构，一般不被任何溶剂溶解，B项正确；加入交联剂会生成具有网状结构的树脂，可提 高其性能，C项正确；合成洗涤剂不属于三大合成材料，三大合成材料还包括合成橡胶，D 项错误。
第二节 应用广泛的高分子材料
刷基础
13．关于下列三种常见高分子材料的说法正确的是( C )
解析 尼龙－66是HOOC(CH2)4COOH和H2N(CH2)6NH2通过成肽反应缩聚而成的高分子化合物， 分子中含有肽键，在一定条件下可以发生水解，故C错误。
第二节 应用广泛的高分子材料
刷基础
8．近年来，由于石油价格不断上涨，以煤为原料制备一些化工产品的前景又被看好。如 图是以烃A为原料生产人造羊毛的合成路线。下列说法正确的是( B )
A．合成人造羊毛的反应属于缩聚反应 B．A生成C的反应属于加成反应 C．A生成D的反应属于取代反应 D．烃A的结构简式为CH2=CH2
解析
第二节 应用广泛的高分子材料
刷基础
题型3 合成橡胶
9．[河北秦皇岛一中2018高二月考]橡胶是一种重要的战略物资，一般分为天然橡胶和合成
橡胶两类。丁苯橡胶是合成橡胶的一种，其结构简式为
解析
A项，酚醛树脂是苯酚和甲醛缩聚得到的有机高分子化合物，不符合题意；B项，二氧化硅 是无机化合物，不是有机高分子化合物，符合题意；C项，聚酯纤维是有机二元酸和二元醇 缩聚得到的有机高分子化合物，不符合题意；D项，聚丙烯酸钠是丙烯酸用氢氧化钠中和后 聚合得到的有机高分子化合物，不符合题意。
材料化学导论
都能相互溶解，即 溶体常常在某一限定成分 范围内才能形成。
LnxA-μA关系曲线会终止于 A在B中的饱和溶解度处， 要用LnxA=0处外插之后μA 的值，标准状态也变成了 假想标准状态。
4.固体的溶解度
• 固体与液体平衡时溶液中A 的化学势等于固体A的化学
• 物质A的溶解行为取决于固 体A的化学势大小和溶解过
2．课堂讨论 2 3．机动 2（复习及习题解答）
教学过程
1. 后次复习前次概念 2. 本次讲授内容的引入 3. 新教学内容的讲授过程 4. 小结 5. 思考题 6． 作业
教材及教学参考书
1. 《材料化学导论》 席慧智 哈尔滨工业大学出版社 2001 2. 《材料化学导论》 唐小真 高教出版社 1997 3. 《材料化学导论》 丁马太 厦门大学出版社出版 1995年 4. 《材料化学导论》 杨宏秀 高等教育出版社 1997 5. 《Introduction to Materials Chemistry》 Harry R. Allcock
•
P+为标准压力,G+为该压力 下n摩尔理想气体的标准自
•
由能，与压力无关，是温
温度较低时，单位压力气 体的化学势高于液体的化 学势，这时气体凝结；
度的函数
• 高温时则正好相反。
•
当气体压力保持一定时， 单纯理想气体的化学势随
•
温度达到Tb，气体和固体 的两条曲线相交，此时，
温度而变化。单位压力下
Tb温度下单位压力的气体
• 溶体平均每摩尔自由能g为：
2.混合气体化学势 • 把单纯理想气体的化学势表达式中的全压力p换成各成
分的分压，即可得到理想混合气体的化学势。 (理想气体) (对A成分而言)
LnxA-μA关系曲线会终止于 A在B中的饱和溶解度处， 要用LnxA=0处外插之后μA 的值，标准状态也变成了 假想标准状态。
4.固体的溶解度
• 固体与液体平衡时溶液中A 的化学势等于固体A的化学
• 物质A的溶解行为取决于固 体A的化学势大小和溶解过
2．课堂讨论 2 3．机动 2（复习及习题解答）
教学过程
1. 后次复习前次概念 2. 本次讲授内容的引入 3. 新教学内容的讲授过程 4. 小结 5. 思考题 6． 作业
教材及教学参考书
1. 《材料化学导论》 席慧智 哈尔滨工业大学出版社 2001 2. 《材料化学导论》 唐小真 高教出版社 1997 3. 《材料化学导论》 丁马太 厦门大学出版社出版 1995年 4. 《材料化学导论》 杨宏秀 高等教育出版社 1997 5. 《Introduction to Materials Chemistry》 Harry R. Allcock
•
P+为标准压力,G+为该压力 下n摩尔理想气体的标准自
•
由能，与压力无关，是温
温度较低时，单位压力气 体的化学势高于液体的化 学势，这时气体凝结；
度的函数
• 高温时则正好相反。
•
当气体压力保持一定时， 单纯理想气体的化学势随
•
温度达到Tb，气体和固体 的两条曲线相交，此时，
温度而变化。单位压力下
Tb温度下单位压力的气体
• 溶体平均每摩尔自由能g为：
2.混合气体化学势 • 把单纯理想气体的化学势表达式中的全压力p换成各成
分的分压，即可得到理想混合气体的化学势。 (理想气体) (对A成分而言)
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2013-7-11
菲克第一定律
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license.
Illustration of the concentration gradient
扩散的微观机理
a.
间隙扩散: P≈1
Gm zP exp( ) kT
2013-7-11
Sm H m 1 2 1 2 D fa fa z exp( ) exp( ) 6 6 k kT H m D0: 扩散常数 D D0 exp( ) kT
2013-7-11 第五章 材料中的扩散 15
§5.1 扩散定律及其应用
2) 限定源扩散—测定金的自扩散系数菲克第二定 律(将Au198涂覆于Au197, Au198扩散进入Au197)
边界条件:
c t 0 : x 0, J 0, 0, x , c 0 x 初始条件: t 0 : x 0, c , x , c 0
D取常数(浓度变 化不大时,近似)
c 2 2 2 D( 2 2 2 )c 三个方向扩散系 t x y z 数相等(Dx=Dy= Dz=D)
第五章 材料中的扩散 12
2013-7-11
§5.1 扩散定律及其应用
3) 物理意义: 扩散过程中,扩散物质浓度随时间的变化率与沿 扩散方向上扩散物质的浓度梯度随扩散距离的 变化率成正比. 4) 适应条件: c J 稳态扩散 0, 0
材料科学基础
2010.10
第五章 材料中的扩散—概述
扩散Diffusion: 由于热运动而导致原子 (分子)在介质中迁移的现象.
微观: 热激活的原子通过自身热振动克服 束缚而迁移它处的过程. 宏观: 原子无序跃迁的统计结果. 扩散速率及其宏观规律; 扩散微观机理—扩散中原子的具体迁移方式.
第五章 材料中的扩散 2
1) 臵换互溶扩散偶—纯铜和纯镍,焊接面上嵌 入惰性标记; 2) 扩散后浓度分布; 3) 扩散后惰性标记移动; 4) 科肯道尔效应: 由于两组元的原子以不同的 速率(DA≠DB)相对扩散而引起的标记面漂 移现象; 5) 科肯道尔效应广泛存在于臵换型扩散偶中.
2013-7-11 第五章 材料中的扩散 14
2013-7-11 第五章 材料中的扩散 21
§5.2 扩散的微观机理
3) 其他扩散机制
填隙机制 平衡位臵的 原子挤入邻 近原子的间 隙中.
2013-7-11
第五章 材料中的扩散
22
§5.2 扩散的微观机理
换位机制:
直接交换 环形交换
2013-7-11
第五章 材料中的扩散
23
§5.2 扩散的微观机理
间隙机制扩散示意图
2013-7-11 第五章 材料中的扩散 20
§5.2 扩散的微观机理
2) 空位机制
方式: 原子跃迁到与之相邻的空位; 条件: 原子旁边存在空位; 结果: 形成扩 散原子和空位 的逆向流动— 空位流动造成 科肯道尔效应; 金属和臵换固 溶体的扩散机 制. 空位机制扩散示意图
（金属的氧化和化学热处理，玻璃的化学增强处理及某些半 导体扩散掺杂工艺都属于此类问题）
扩散方程在渗碳过程中的应用误差函数解 边界条件: c x 0 cs 初始条件: c t 0 c0
c( x , t ) c0 (cs c0 )[1 erf (
—扩散第二方程特解, 式中:
Dt —制定渗碳工艺的理论依据.
2013-7-11
第五章 材料中的扩散
18
§5.1 扩散定律及其应用
扩散方程在扩散退火中的应用—正弦解
具有枝晶偏析的合金,其溶质浓度分布 可近似用正弦函数表示:
c c p A0 sin(
x
l
)
cp: 平均浓度; A0: 振幅, cm- cp; cm: 最大偏析量; l: 枝晶间距一半; 扩散方程正弦解:
主要研究内容:
2013-7-11
第五章 材料中的扩散—概述
扩散现象举例:
气体、液体; 固体中质量传输的 唯一途径; 与材料中的许多现 象有关,是影响材料 组织性能及加工处 理的重要过程因素.
第五章 材料中 材料中的扩散—概述
扩散的分类
（1）根据有无浓度变化分 自扩散: 原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的 扩散(如纯金属或固溶体的晶粒长大, 无浓度变化). 互扩散: 原子通过进入对方元素晶体点阵而导致 的扩散(有浓度变化).
（1）温度足够高; （2）时间足够长; （3）扩散原子能固溶; （4）具有驱动力: 化学位梯度.
2013-7-11 第五章 材料中的扩散 5
§5.1 扩散定律及其应用
1. 扩散定律
单向扩散实验 —扩散偶 c1<c2(1<2),950℃保温
扩散通量J: 单位 时间内通过垂直 于扩散方向的单 位截面积的扩散 物质量.
（2）根据扩散方向分
下坡扩散: 原子由高浓度向低浓度处进行的扩散. 上坡扩散: 原子由低浓度向高浓度处进行的扩散.
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第五章 材料中的扩散—概述
（3）根据是否出现新相
原子扩散: 扩散过程中不出现新相. 反应扩散: 导致形成新相的扩散.
固态扩散的条件
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§5.1 扩散定律及其应用
沿一个方向只有1/2的几率 则单位时间内两者的差值即扩散原子净流量 J=（1/2）f（n1-n2） =（1/2）fC1dx-（1/2）fC2dx =f（C2-C1）dx/2
令D=（1/2）（dx）2f，则 J=-（1/2）fdxdc =-（1/2）（dx）2f（dc/dx） =-D （dc/dx）（稳态扩散）
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第五章 材料中的扩散
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§5.1 扩散定律及其应用
菲克第二定律
浓度及浓度梯度 随时间不断变化
1) 菲克第一定律不能全面描述非稳态扩散过程; 2) 数学表达式(扩散第二方程): c c (D ) 一般: t x x 一维 c 2c D 2 特殊: t x 三维
2. 原子热运动与晶体中的扩散
原子迁移需 克服能垒 Gm =G2-G1, 只有自由能 高于G2的原 子才能迁移. 原子扩散能 力由扩散激 活能和扩散 系数描述.
原子迁移需越过的能垒
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§5.2 扩散的微观机理
1) 扩散系数与原子迁移
几条假设: ① 给定条件下扩散溶质原子跳到 相邻位臵的频率(跃迁频率)为; ② 原子跳动使其从晶面Ⅰ跃迁至 晶面Ⅱ的几率为p; ③ 晶面Ⅰ和Ⅱ上扩散原子的面密 度分别为n1和n2且n1>n2. ④ 相邻晶面的面间距为a, 体积浓 度c与溶质原子面密度n的关系: c = n/a
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§5.1 扩散定律及其应用
菲克第一定律
The flux during diffusion is defined as the number of atoms passing through a plane of unit area per unit time
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§5.1 扩散定律及其应用
x 2 Dt
)]
erf (
x
2 Dt
)
—高斯误差 函数
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适用条件: 半无限长棒 如恒定扩散源的渗碳过程
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§5.1 扩散定律及其应用
设为渗碳层深度(表面至给定碳浓度c*的距离), * 则有: cs c erf ( ) =常数
2 Dt
c s c0
即:
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§5.1 扩散定律及其应用
x轴上两单位面积1和2，间距dx，面上原子浓度为C1、C2 则平面1到平面2上原子数n1=C1dx 平面2到平面1上原子数n2=C2dx 若原子平均跳动频率f, dt时间内跳离平面1的原子数为n1f· dt，跳离平面2的 原子数为n2fdt，
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扩散第一方程
§5.1 扩散定律及其应用
菲克第一定律
J: 扩散通量(g /cm2•s); c D: 扩散系数(cm2/s); 1) 数学表达式: J D x c: 体积浓度(g /cm3); 2) 物理意义: "-": 扩散方向与浓度 扩散通量J(单位时间内通 梯度方向相反. 过垂直于扩散方向的某一单 位面积截面的扩散物质流量) 与浓度梯度成正比. 3) 适用条件：稳态扩散—浓度及浓度梯度不随时 间改变(dc/dt=0), 此时可用dc/dx代 替∂c/∂x.
x c J c J 非稳态扩散 0, 0( ) t x t x
扩散过程中,扩散物质的浓度不仅随距离发 生变化,还随时间发生变化.
t
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§5.1 扩散定律及其应用
2. 科肯道尔(Kirkendall)效应
DniCu> DcuNi, Ni一侧向Cu一侧 有物质净输送.
双原子气体:
§5.1 扩散定律及其应用