材料的凝固-气相沉积扩散与固态相变
《材料科学基础》名词解释
《材料科学基础》名词解释第一章材料结构的基本知识1、晶体材料的组织：指材料由几个相(或组织单元)组成，各个相的相对量、尺寸、形状及分布。
第二章材料的晶体结构1、空间点阵：将理想模型中每个原子或原子团抽象为纯几何点，无数几何点在三维空间规律排列的阵列2、同素异构：是指有些元素在温度和压力变化时，晶体结构发生变化的特性3、离子半径：从原子核中心到其最外层电子的平衡距离。
4、离子晶体配位数：在离子晶体中，与某一考察离子邻接的异号离子的数目称为该考察离子的配位数。
5、配位数：晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数6、致密度：晶体结构中原子体积占总体积的百分数；第三章高分子材料的结构1、聚合度：高分子化合物的大分子链是出大量锥告连成的。
大分子链中链节的重复次数叫聚合度2、官能度：指在一个单体上能和别的单体发生键合的位置数目3、加聚反应：由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应；4、缩聚反应：由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出(缩去)某种低分子物质(如水、氨、醉、卤化氢等)的反应；5、共聚：由两种或两种以上的单休参加聚合而形成聚合物的反应。
第四章晶体缺陷1、晶体缺陷：实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域；2、位错密度：晶体中位错的数量，是单位体积晶体中所包含的位错线总长度；3、晶界：同一种相的晶粒与晶粒的边界；4、晶界内吸附：少量杂质或合金元素在晶体内部的分布是不均匀的，它们常偏聚于晶界，称这种现象为晶界内吸附；第五章材料的相结构及相图1、固溶体：当合金相的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种相就称为一次固溶体或端际固溶体，简称固溶体。
2、拓扑密堆积：如两种不同大小的原子堆积，利用拓扑学的配合规律，可得到全部或主要由四面体堆垛的复合相结构，形成空间利用率很高、配位数较大(12、14、15、16等)一类的中间相，称为拓扑密堆积。
3、电子浓度：固溶体中价电子数目e与原子数目之比。
4、间隙相：两组元间电负性相差大，且/1≤0.59具有简单的晶体结构的中间相5、间隙化合物：两组元间电负性相差大，且/≥0.59所形成化合物具有复杂的晶体结构。
大学材料科学基础第6章--材料的凝固与气相沉积
令
d (G非 ) dr
＝0
非均匀形核的临界半径为：
rk
2
GV
16
结论：非均匀形核使临界晶核的形核功减小，但晶 核的临界半径没有变。
• 非均匀形核的晶核形成功主要取决于 称接触角 或浸润角， 越小对形核越有利。
• 大小的因素影响： cos ＝ (L/B－S/B)/ L/S
L/B就越越小小，并且S/B越接近L/S，cos 越接近l， 角 基底与晶核的晶体结构、原子间距等越相近，其界
面能越小
• 应用：
人工降雨：
AgI
晶体结构 密排六方
晶格常数 a 0.458 nm
c 0.749 nm
冰 密排六方
0.452 nm 0.736 nm
17
非自发形核问题概括
• 在同样过冷度下非自 发形核的形成功小， 使非自发形核形成功 与过冷度的关系曲线 左移。
• 以均匀形核的形成功 为标准，那么，非均 匀形核就可在很小的 过冷度下发生。
exp GA
kT
• 形核率N取决于形核与克服能垒几率的乘积
N = Bexp Gk exp GA
kT
kT
10
N = Bexp Gk exp GA
kT
kT
• 第一项是随过冷度增加而 急剧增加(Gk与T2成反 比)
• 第二项中的激活能GA对 温度变化不大敏感
• 过冷度小时受形核率受所 控制
• 过冷度大时受形核能垒受 所控制
13
非均匀形核的形核功
设晶核以球冠状形成于基底(模壁
或杂质表面) B上，L/S、S/B、 L/B分别表示液-固相晶核、晶核-
图6-5 非均匀形核示意图
基底、液相-基底间单位面积的表面张力，晶核的表面积为AL/S， 晶核-基底的界面积为AS/B，晶核的球冠体积为V，则有
固态相变原理扩散型相变——合金的脱溶沉淀与时效
理
与 过程，目的地——脱溶出平衡相，
应
用 经历亚稳相或溶质原子聚集区。
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控制脱溶析出相的结构、尺寸、
固
态 分布等，能使合金的强度硬度显著
相
变 提高。这种脱溶可显著提高合金的
原
理 强度和硬度，称为沉淀强（硬）化
与
应 或时效强（硬）化，是强化合金材
用
料的重要途径之一。尤其是....
1 脱溶过程和脱溶物的结构
固
态
形成θ″相强化
相
变
效果最大，出
原
理
现θ′相硬度开
与
始下降。初期
应
用
是冷时效，后
期是温时效。
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时效时引起硬度变化的因素溶度下降
原
（2）基体回复与再结晶
理
与
（3）新相析出
应
用
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固
态
相
变
原
理
与
应
用
三个因素共同决定的结果
3.2 时效硬化机制
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变
原 后室温放置，硬度随时间的推移不
理
与 断升高，但观察不到显微组织的任
应
用 何变化。当时无法解释其原因，就
称此现象为时效硬化。
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条件：凡是平衡相图上存在固溶
固 态
度变化（固溶度随温度降低而减少）
相
变 的合金。二次渗碳体、三次渗碳体
原
理 的析出，回火时发生的马氏体分解
与
应 或二次硬化等，本质上都是脱溶过
理
与 列出了几种时效硬化型合金的析出
应
用 系列。
齐鲁工业大学835《材料科学基础》考试大纲2021年考研专业课初试大纲
《材料科学基础》考试大纲一、考试题型1、名词解释2、简答题3、论述题4、综合分析题二、考试参考用书《材料科学基础》，石德珂著，机械工业出版社，2003年6月版三、考试内容第一章材料结构的基本知识了解原子结构、原子结构键、原子排列方式、晶体材料的组织、材料的稳态结构与亚稳态结构。
掌握材料中原子结构键、原子排列方式。
第二章材料中的晶体结构了解晶体学基础、纯金属的晶体结构、离子晶体的结构、共价晶体的结构。
掌握晶体学基础、纯金属的晶体结构。
第三章高分子材料的结构了解高分子材料基本知识、高分子链的结构及构象、高分子的聚集态结构、高分子材料的性能与结构。
第四章晶体缺陷了解点缺陷、位错的基本概念、位错的能量及交互作用、晶体中的界面。
掌握点缺陷、位错的基本概念、位错的交互作用。
第五章材料的相结构及相图了解材料的相结构、二元相图及其类型、复杂相图分析、相图的热力学基础、三元系相图及其类型。
掌握材料的相结构、二元相图及其类型、二元相图的分析与使用，铁碳相图和铁碳合金、杠杆定律。
第六章材料的凝固与气相沉积了解材料凝固时晶核的形成、材料凝固时晶体的生长、固溶体合金的凝固、共晶合金的凝固、制造工艺与凝固组织、用凝法材料的制备技术、材料非晶态、材料的气-固转变、气相沉积法的材料制备技术。
掌握材料凝固时晶核的形成、材料凝固时晶体的生长、固溶体合金的凝固、共晶合金的凝固、制造工艺与凝固组织。
第七章扩散与固态相变了解扩散定律及其应用、扩散机制、影响扩散的因素与扩散驱动力、几个特殊的有关扩散的实际问题、固态相变中的形核、固态相变的晶体成长、扩散型相变、无扩散相变。
掌握扩散定律及其应用、扩散机制、影响扩散的因素与扩散驱动力、两个特殊的有关扩散的实际问题。
固态相变中的形核、固态相变的晶体成长、扩散型相变、无扩散相变的基本概念。
第八章材料的变形与断裂了解金属变形概述、金属的弹性变形、滑移与孪晶变形、单晶体的塑性变形、多晶体的塑性变形、纯金属的变形强化、合金的变形与强化、冷变形金属的组织与性能、金属的断裂、冷变形金属的回复阶段、冷变形金属的再结晶、金属的热变形、蠕变与超塑性、陶瓷晶体的变形、高分子材料（聚合物）的变形。
固态相变知识点总结
固态相变知识点总结固态相变（solid state phase transition）是指物质在固态下，由于温度、压力等外界条件的变化，使得物质的晶体结构和性质发生显著变化的现象。
固态相变分为一级相变和二级相变两种类型，其中一级相变又称为凝固、熔化或者升华相变，而二级相变则包括了铁磁性转变、铁电性转变、铁弹性转变等多种类别。
一级相变是指固态物质在相变过程中伴随着传热的明显变化，其自由能函数在温度、压力和摩尔体积或摩尔焓差范围内不连续变化。
一级相变包括了凝固、熔化和升华三种基本类型。
凝固是物质由液态转变为固态的一种相变过程。
在凝固的过程中，液体的分子排列变得有序，形成规则的晶体结构。
凝固点是物质在一定压力下的温度，当温度降低达到凝固点时，液体开始凝固。
熔化是物质由固态转变为液态的一种相变过程。
在熔化的过程中，固体的晶体结构破坏，分子之间的相互作用减弱，形成无序排列的分子结构。
熔点是物质在一定压力下的温度，当温度升高达到熔点时，固体开始熔化。
升华是物质由固态转变为气态的一种相变过程。
在升华的过程中，固体的晶体结构破坏，分子之间的相互作用减弱，形成无序排列的分子结构。
升华点是物质在一定压力下的温度，当温度升高达到升华点时，固体开始升华。
与一级相变不同，二级相变是指固态物质在相变过程中没有明显的传热变化，其自由能函数在温度、压力和摩尔体积或摩尔焓差范围内连续变化。
二级相变包括了铁磁性转变、铁电性转变和铁弹性转变等多种类型。
铁磁性转变是指在一定温度下，物质由铁磁相转变为顺磁相或者反铁磁相的一种相变过程。
铁磁性转变常伴随着磁滞回线的出现，磁化强度和温度之间存在明显的关联。
铁电性转变是指在一定温度下，物质由铁电相转变为非铁电相的一种相变过程。
铁电性转变常伴随着电滞回线的出现，电极化强度和温度之间存在明显的关联。
铁弹性转变是指在一定温度下，物质由弹性相转变为非弹性相的一种相变过程。
铁弹性转变常伴随着应力-应变曲线的出现，应力和温度之间存在明显的关联。
石德珂材料科学填空题
《材料科学基础》填空题第一章 材料结构基本知识1. 原子核外电子分布及四个量子数有关，且服从下述两个基本原理：泡利不相容原理和最低能量原理2. 原子结合键中一次键（强健）有离子键、共价键、金属键；二次键（弱健）有范德瓦尔斯键、氢键、离子晶体和原子晶体硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。
3. 金属晶体导电性、导热性、延展性好，熔点较高。
4. 能量最低结构称为稳态结构或平衡态结构，能量相对较高结构则称为亚稳态结构；5. 材料稳态结构及亚稳态结构由热力学条件和动力学条件共同决定；第二章 材料晶体结构1、晶体结构中基元就是化学组成相同、空间结构相同、排列取向相同、周围环境相同基本单元;2、简单立方晶胞中（100）、（110）、（111）晶面中，面间距最小是（111）面，最大是（100）面；3、晶面族{100}包含（100）（010）（001）及平行（001）（010）（100）等晶面；4、（100），（210），（110），（2ī0）等构成以[001]为晶带轴晶带；（01ī），（0ī1），（10ī），（1ī0）等构成以[111] 为晶带轴晶带； 5、晶体宏观对称元素只有 1，2，3，4，6，1，m ，4 等8种是基本6、金属中常见晶体结构有面心立方、体心立方、密排六方三种；7、金属密堆积结构中间隙有四面体间隙和八面体间隙两种类型8、面心立方晶体中１个晶胞内有４个八面体间隙，８个四面体间隙。
9、陶瓷材料是以离子键、共价键以及离子键和共价键混合键结合在一起； 10、硅酸盐基本结构单元是硅酸根四面体； 11、SiO 2中主要化学键为 共价键 及 离子键 ； 12、硅酸盐几种主要结构单元是岛状结构单元、双四面体结构单元、环状结构单元以及链状结构单元、层状结构单元；13、离子晶体中决定正负离子堆积方式两因数是： 电荷大小，满足电中性；正负离子相对大小；14、陶瓷材料组成相有 玻璃相 、 气相 和 结晶相15、上图为离子晶体中稳定和不稳定配位图形，图为不稳定配位图形第三章高分子材料结构1. 1. 按照聚合物热行为可将聚合物分为_热固性塑料_和______热塑性塑料____两类。
材料科学基础-习题
/jxtd/caike/这个网址有很多东西,例如教学录像,你可以上去看看,另外左下角有个“释疑解惑”，应该很有用第一章材料结构的基本知识习题1．原子中的电子按照什么规律排列?什么是泡利不相容原理?2．下述电子排列方式中，哪一个是惰性元素、卤族元素、碱族、碱土族元素及过渡金属?(1) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d7 4s2(2) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6(3) 1s2 2s2 2p5(4) 1s2 2s2 2p6 3s2(5) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2(6) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s13．稀土元素电子排列的特点是什么?为什么它们处于周期表的同一空格内?4．简述一次键与二次键的差异。
5．描述氢键的本质，什么情况下容易形成氢键?6．为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高?7．应用式(1-2)~式(1-5)计算Mg2+O2-离子对的结合键能，以及每摩尔MgO晶体的结合键能。
假设离子半径为；；n=7。
8．计算下列晶体的离子键与共价键的相对比例(1) NaF(2) CaO9．什么是单相组织?什么是两相组织?以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。
10．说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义，说明稳态结构与亚稳态结构之间的关系。
11．归纳并比较原子结构、原子结合键、原子排列方式以及晶体的显微组织等四个结构层次对材料性能的影响。
第二章材料中的晶体结构习题第三章高分子材料的结构习题1．何谓单体、聚合物和链节?它们相互之间有什么关系?请写出以下高分子链节的结构式：①聚乙烯；②聚氯乙烯；③聚丙烯；④聚苯乙烯；⑤聚四氟乙烯。
2．加聚反应和缩聚反应有何不同?3．说明官能度与聚合物结构形态的关系。
要由线型聚合物得到网状聚合物，单体必须具有什么特征?4．聚合物的分子结构对主链的柔顺性有什么影响?5．在热塑性塑料中结晶度如何影响密度和强度，请解释之。
华南师范大学材料科学与工程教程第七章 扩散与固态相变(一)
25/11/2018
1
概述
扩散现象：气体和液体中，例如在房间的某处打开一瓶 香水，慢慢在其他地方可以闻到香味，在清水中滴入一滴墨 水，在静止的状态下可以看到他慢慢的扩散。 扩散：由构成物质的微粒 ( 离子、原子、分子 ) 的热运动 而产生的物质迁移现象称为扩散。扩散的宏观表现是物质的 定向输送。
25/11/2018
34268s = 9.52hr
27
例2 一铁棒中碳的原始浓度为0.20%。现在1273K的温度下对 其进行渗碳处理，试确定在距表面0.01cm处碳浓度达到 0.24%所需的时间。已知在渗碳气氛中，铁棒的表面碳浓度 维持在0.40%；碳在铁中的扩散系数与温度的关系为
D (2 105 m 2 / s){exp[(142000 J / mol) / RT ]}
dC J D dx
25/11/2018 18
2） 扩散第二方程
解决问题的关键:搞清问题的起始条件和边界条件，并假定任一时 刻t溶质的浓度是按怎样的规律分布。 对不同的实际问题，可采用不同的浓度分布形式来处理，如正态分 布、误差分布、正弦分布、指数分布等。
解析解通常有高斯解、误差函数解和正弦解等
一维无限长棒中扩 散方程误差函数解：
25/11/2018 30
water
25/11/2018
adding dye
partial mixing
homogenization
time
2
说明
在固体材料中也存在扩散，并且它是固体中物 质传输的唯一方式。因为固体不能象气体或液体那
样通过流动来进行物质传输。即使在纯金属中也同
样发生扩散，用掺入放射性同位素可以证明。 扩散在材料的生产和使用中的物理过程有密切 关系，例如：凝固、偏析、均匀化退火、冷变形后 的回复和再结晶、固态相变、化学热处理、烧结、
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J Ddcdx
适用于:稳态扩散
2021/2/21
6
意义:在稳态扩散时,只要材料内部存在浓度梯度,就会 有扩散现象，而且扩散通量的大小与浓度梯度成正比， 方向与浓度梯度方向相反，即由溶质浓度高的方向流向 浓度低的方向，故前加负号。
CtdxJ1J2 Ct(J1J2)dx
J1D(Cx)x
J 2 D (C x ) x dx J 1 ( dJ dx ) x dx
J1
x
(D
C x
) dx
x
(J1J2)dxx(DC x)
适用于:非稳态扩散
2021/2/21
c D 2 c
t
x2
10
浓度随时间的变化与浓度分布曲线在该点的二阶导数成正比。
8
原子运动的宏观位移
跳跃平均距离为 r
Rn2 nr2
( ) rR1aRn2J2BR.1n4n2r216DnrB2tn11/2
Rn2 nr2
Rn2 na2
Rn2.4(D)1t/2
扩散距离和扩散系数与时间的乘积有平方根的关系。
2021/2/21
9
① ②
扩散第二定律
(Fick’s Second Law)
第七章 扩散与固态相变
2021/2/21
1
本章主要内容
▪ 扩散第一、第二定律及其应用 ▪ 扩散机制
晶核的形成 ▪ 固态相变过程 晶体的生长
▪ 扩散型及无扩散型相变
2021/2/21
2
扩散
由于粒子的热运动而自发地产生的物质迁移现象。
水
加入染料
部分混合 时间
完全均匀化
扩散是固体中原子传输的唯一方式。
f R
Sm)
D D0exp(RQT)
自扩散激活能 （空位形成能和
空位迁移能）
24
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25
互扩散与柯肯达尔效应
柯肯达尔效应:对于纯金属和置换式固溶体,当两者发生互扩散时, 由于两种原子的扩散速率不同使界面产生移动，通常移向原子扩 散速率较大的一方的现象。
2021/2/21
26
扩散系数的计算
CsCer(f x )
CsC0
2 Dt
2021/2/21
15
例题2
将纯铁放于渗碳炉内渗碳,假定渗碳温度为920℃,渗碳介质碳浓 度Cs＝1.2％，D＝1.5xl0-11m2／s，t＝10 h。 (1)求表层碳浓度分布; (2)如规定渗层深度为表面至0.3％C处的深度，求渗层深度。
2021/2/21
D=10-8m2/s
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18
第二节 扩散机制
▪ 间隙扩散 ▪ 空位扩散
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19
间隙扩散
在间隙固溶体中溶质原子的扩散是从一个间隙位置跳到近邻 的另一间隙位置,发生间隙扩散。
间隙机制
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20
ห้องสมุดไป่ตู้ 扩散系数
扩散系数 D 1 a2 6
vzp
为每秒钟间隙原子跃迁的次数
16
➢ 半导体硅片的掺杂
MCdx2Cs(Dt)12 0
C M exp(x2 )
2 Dt 4Dt
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17
练习题:
c1
H2
c2
x
利用一薄膜从气流中分离氢气。在稳定状态时,薄膜一侧的 氢浓度为0.025mol/m3,另一侧的氢浓度为0.0025mol/m3,并且 薄膜的厚度为 1 0 0 μ m 。 假 设 氢 通 过 薄 膜 的 扩 散 通 量 为 2.25×10-6mol/（m2s），求氢的扩散系数。
v:原子自身振动的频率; Z:间隙原子紧邻的位置数; P：间隙原子能够跃迁到新位置的几率。
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21
2021/2/21
P ex p G )( G H T S RT
D 1 a2 Zv exp(S )exp( H )
6
R
RT
令
D0
1 6
a2
Zv
exp(S R
)
H Q
扩散激 活能
▪ 间隙原子在任何立方晶系中的扩散 D 16a2
简单立方 a , D16a216a2 面心立方 2 2 a , D16211a 22
体心立方 3 2 a ，D16218a2
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27
空位扩散
D
1 6
Q
D D0exp( RT )
22
lnD lnD0
k=-Q/R
lnDlnD0
Q RT
1/T
扩散系数与温度的关系
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23
空位扩散
通过原子与空位交换位置即实现原子的迁移,称为空位机制。
自扩散
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D 1a2Zvexp(Sf Sm)exp(Hf Hm)
6
R
RT
D0
1 6
a2
Zvexp(S
CsCer(f x )
CsC0
2 Dt
12
erf( x )erf(z)误差函数特征:
2 Dt
1）图形对称,erf(-Z)=-erfZ; 2）erf(0)=0,erf(0.5)=0.5; 3）erf(∞)=1，erf(-∞)=-1
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13
2021/2/21
14
例题1
有一20钢齿轮气体渗碳,渗碳温度是927℃,炉内渗碳气氛控制使 工件表面含碳量为0.9%，试计算距表面0.5mm处含碳量达到0.4%时 所需的时间 （假定碳在927℃时的扩散系数D=1.28×10-11m2·s-1）。
2021/2/21
7
扩散第一定律的微观解释
以间隙原子在简单立方晶体中的运动为例。
1 JB1 6 B n1
1 JB2 6Bn2
n1>n2,从①跳到②的净流量
JBJB1JB21 6B(n1n2)
CB（1）- CB（2）=-
J 2B 0 21/1 6 2/2 1B ( n 1 n 2 ) 1 6 B a ( C B ( 1 ) C B d( 2 C) ) B/ d x·1 6 αB a 2 d d C BxJDB16DBdad2CxB
2021/2/21
3
齿轮表面硬化
2021/2/21
4
第一节 扩散定律及其应用
稳态扩散 扩散
非稳态扩散
在稳态扩散中，材料内部各点处的浓度不随时间变化。
dc 0 dt
在非稳态扩散中，材料内部各点处的浓度随时间而变化。
dc 0 dt
2021/2/21
5
扩散第一定律
(Fick’s First Law)
c D 2 c
t
x2
2021/2/21
11
扩散第二定律应用
➢ 钢的渗碳
钢棒在富含一定浓度的CH4气氛中进行渗碳处理。(零件被看作是 无限长的棒,并假定碳在奥氏体中的扩散系数为一常数)
2021/2/21
初始条件 t=0，C=C0，C0为钢的原始含碳量。 边界条件 t＞0， x0 CCs
x CC0
CCs(CsC0)er(2 f xD)t