材料科学基础11PPT课件
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材料科学基础11章扩散
三.扩散系数（cm2/s，m2/s） 1.无序扩散Dr：质点作布朗运动、不存在化学位梯度时的扩散。 特点：a.移动方向是无序的，无外场推动；b.由热起伏使原子 获得迁移活化能引起；c.不产生定向扩散流，每次跃迁与前次 无关。 1 2 Dr / 6 f r 2 6 f为跃迁频率，f=AoNvexp[-Gm/RT]，A比例常数，o振动 频率1013次/秒，Nv(空位)缺陷浓度，Gm跃迁(扩散)活化能。r 为每次跃迁距离，r=kao，ao晶格参数，Dr=1/6k2ao2f ，令γ=A/6 k2 ，γ结构因子 Dr=ao2oNvexp[-Gm/RT] 用扩散系数描述质点扩散： D↑→扩散↑； T↑、Nv↑、 Gm↓→D↑→扩散↑。
二、菲克定律与扩散动力学方程
1855年德国物理学家 A· 菲克（Adolf Fick）在研究大量扩散现象的基础 上，首先对这种质点扩散过程作出定量描述，得出著名的菲克定律，建立了 浓度场下物质扩散的动力学方程。
1.费克第一定律：稳定扩散的原子扩散通量与浓度梯度成正比。 一维方向： Jx=-Dc/x c c c J D C D(i j k ) 三维方向： x y z
§11-2 扩散的推动力
一、扩散的一般推动力
根据广泛适用的热力学理论，可以认为扩散过程与其他物 理化学过程一样，其发生的根本驱动力应该是化学位梯度。一 切影响扩散的外场（电场、磁场、应力场等）都可统一于化学 位梯度之中，且仅当化学位梯度为零，系统扩散方可达到平衡。 下面以化学位梯度概念建立扩散系数的热力学关系（能斯特-爱 因斯坦公式） 。
2. 晶界的内吸附
晶界能量比晶粒内部高，如果溶质原子位于晶界上，可降低体系总能 量，它们就会扩散而富集在晶界上。
3 .固溶体中发生某些元素的偏聚
《材料科学基础》课件
THANKS
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稳定性
材料在化学环境中保持其组成和结构的能力。
腐蚀性
材料与化学物质反应的能力，一些材料容易受到腐蚀。
活性
材料参与化学反应的能力和程度。
耐候性
材料在各种气候条件下的稳定性，如耐紫外线、耐风雨等。
材料的力学性质
弹性模量
描述材料抵抗弹性变形的能力。
硬度
材料表面抵抗被压入或划痕的能力。
韧性
材料吸收能量并抵抗断裂的能力。
材料科学的发展历程
总结词
概述材料科学的发展历程，包括重要的里程碑和代表 性人物。
详细描述
材料科学的发展历程可以追溯到古代，如中国的陶瓷和 青铜器制作，古埃及的石材加工等。然而，材料科学作 为一门独立的学科是在20世纪中期才开始形成的。在 这个时期，一些重要的里程碑包括开发出高温超导材料 、纳米材料和光电子材料等新型材料，这些材料的出现 极大地推动了科技的发展。同时，一些杰出的科学家如 诺贝尔奖得主也在这个领域做出了卓越的贡献。随着科 技的不断进步，材料科学的发展前景将更加广阔。
。
绿色材料与可持续发展
绿色材料
采用环保的生产方式，开发具有环保性能的新型材料，如可降解 塑料、绿色建材等。
节能减排
通过采用新型材料和技术，降低能源消耗和减少污染物排放，实现 节能减排的目标。
可持续发展
推动材料科学的发展，实现经济、社会和环境的协调发展，促进可 持续发展。
非晶体结构与性质
非晶体的结构特征
非晶体中的原子或分子的排列是无序的，不遵循长程有序的晶体 结构。
非晶体的物理和化学性质
非晶体的物理和化学性质与晶体不同，如玻璃态物质具有较好的化 学稳定性和机械强度。
《材料科学基础》课件
晶体与非晶体材料
晶体材料具有有序排列的原子或分子结构，而非晶体材料具有无序排列的结 构。晶体材料的性质受到晶体结构的影响。
材料物理性质
材料的物理性质包括密度、热导率、电导率、磁性等。这些性质影响着材料 在各种条件下的表现和应用。
材料化学性质
材料的化学性质指的是材料与其他物质发生化学反应的能力和性质。它们决定了材料的耐腐蚀性、稳定 性和反应性。
常见材料的分类和特征
金属
金属具有良好的导电性和导热性，适用于制 造结构件和导电元件。
聚合物
聚合物具有轻量、耐疲劳等特点，适用于制 造塑料制品和弹性件。
陶瓷
陶瓷具有优良的耐高温性和绝缘性，适用于 制造耐磨、耐腐蚀的零部件。
复合材料
复合材料具有多种材料的优点，适用于制造 航空航天和汽车等领域的高性能材料。
汽车
应用于汽车制造中的车身和发动机部件。
电子
应用于电子器件的制造，如半导体材料等。
《材料科学基础》PPT课 件
本课件将介绍材料科学的基础知识，包括材料科学的概述、晶体与非晶体材 料、材料的物理性质和化学性质、常见材料的分类和特征、材料的加工方式， 以及材料工程应用。
材料科学概述
材料科学是研究材料的组成、结构、性质和应用的学科。它涉及各种材料，包括金属、陶瓷、聚合物和 复合材料。
材料加工
1
原材料采集
从矿石、石油等中采集原材料，准备
材料处理
2
进入加工过程。
通过熔融、挤压、锻造等方式改变材
料的形态和性能。
3
零部件制造
将材料加工成适合使用的零部件，如
总装与测试
4
铸件、锻件、塑料制品等。
将零部件组装成成品，进行测试和质 量检查。
材料科学基础完整ppt课件
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
离子% 结 ）= [-1 e 合 -1 4(X A 键 X B )（ 2 1% 00
另一种混合键表现为两种类型的键独立 纯在例如一些气体分子以共价键结合，而 分子凝聚则依靠范德瓦力。聚合物和许多 有机材料的长链分子内部是共价键结合， 链与链之间则是范德瓦力或氢键结合。石 墨碳的上层为共价键结合，而片层间则为 范德瓦力二次键结合。
.
5
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
八.材料科学研究的内容：材料结构的基础知识、
晶体结构、晶体缺陷、材料的相结构及相图、材
料的凝固、材料中的原子扩散、热处理、工程材
料概论等主要内容。 .
子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当
.
16
处在
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
高温熔融状态时，正负离子在外电场作用 下可以自由运动，即呈现离子导电性。
2.共价键
（1）通过共用电子对形成稳定结构
.
13
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
三.结论
1.原子核周围的电子按照四个量子数的规定 从低能到高能依次排列在不同的量子状态 下，同一原子中电子的四个量子数不可能 完全相同。
材料科学基础(哈工大版)课件
dislocations climbing and gliding：位错攀移和滑移
⑴相变机制： 固态相变：过饱和固溶体 蠕变：位错 层错 滑移 攀移
⑵晶体学基础： 结构：单晶体 多晶体 原子排列：体心立方 面心立方 密排六方 晶体表征：晶面指数 晶向指数
内容及要求：懂－会－熟（练习）
本章内容
1. 化学键
№1
练习1－2答案
∞、∞、∞、1 №2
（1121） 1、1、－1/2、1
晶帶：相交或平行于某直线的所有晶面
直线：晶带轴 晶帶定理： hu + kv+ lw = 0
晶面间距
面间距的应用－物相鉴定
α ˊ (110)
In ten sity
1000
850(℃ )
800
600
400
200
0
20
Materials Science and Engineering A 454–455 (2007) 461–466
Fig. 5. Dislocation structure of a precompression treatment specimens during creep at 800 ◦C and 600MPa: (a) t = 0, (b) t=10h, (c) t = 50 h and (d) after fail at t = 287 h.
材料科学基础
第一章 材料的结构
前言
材料热处理学报，29（1），99－101， 2008
304 奥氏体不锈钢热诱发马氏体相变研究
杨卓越、王 建、陈嘉砚
摘 要: 借助X射线衍射技术,研究了304 奥氏体不锈钢热诱发 马氏体相变倾向。结果表明:C、Mn、Cr 和Ni接近标准规范下 限,304 不锈钢的稳定性急剧下降,致使液氮内冷却后的奥氏体 转变为α′或ε马氏体,室温拉伸即形成应变诱发ε和α′马氏体,而且 较小的室温变形显著增大随后液氮内冷却的热诱发α′马氏体相 变倾向,但随室温预应变增大快速形成应变诱发α′马氏体,致使 随后在液氮内发生热诱发α′马氏体倾向下降。此外,研究表明ε 马氏体的形成及消失与α′马氏体的累积量有关。
无机材料科学基础第十一章扩散
分别表示流入体积元及从体积元流出的扩散通量， 则在Δt时间内，体积元中扩散物质的积累量为
m ( J x A J x x A ) t
m xA t J
x
J x
x x
C t
C t
x
J x
C x )
(D
图5 扩散流通过微小体积的情况
三、
菲克第二定律
当扩散处于非稳态，即各点的浓度随时 间而改变时，利用式（1）不容易求出浓度 分布C（X，t）。但通常的扩散过程大都是 非稳态扩散，为便于求出C（X，t），还要 从物质的平衡关系着手，建立第二个微分 方程式。
（1） 一维扩散
如图5所示，在扩散方向上取体积元
A x , J x和 J x x
1.恒定源扩散 以一维扩散为例，讨论两种边界条件，扩散动力 学方程的解，如图： 初始条件：t=0， x ≥0，c(x,o)= 0 边界条件：t＞0，x=0， c(x,0)= C0 C 用菲克第二定律： C 引入新变量： x u D t 则有： t x C C u C x dc u . . 3 . （1） 2 t u t u 2t du 2t
x
m
dm Adt
C x
At
C x
D(
)
图3 扩散过程中溶质原子的分布
由扩散通量的定义，有
J D C x
（1）
上式即菲克第一定律 式中J称为扩散通量常用单位是g/(cm2.s)或 mol/(cm2.s) ； 负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反。 D是同一时刻沿轴的浓度梯度；是比例系 数，称为扩散系数。
图4 溶质原子流动的方向与浓度降低的方向一致
讨论：
对于菲克第一定律，有以下三点值得注意：
原版00-材料科学基础-上交PPT课件
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目录
• 材料科学简介 • 材料的基本性质 • 材料制备与加工技术 • 材料性能测试与表征 • 材料的应用与发展趋势
01
材料科学简介
材料科学的定义与重要性
定义
材料科学是研究材料的组成、结 构、性能、加工和应用的一门跨 学科的综合性科学。
重要性
材料科学是现代工业、科技和国 防发展的重要基础，对国民经济 和社会发展具有重要意义。
建筑领域
利用材料建造房屋、桥梁等 建筑物，满足人类居住和工
作需求。
1
交通领域
制造汽车、飞机、船舶等交 通工具，实现人类出行和运
输货物的需求。
电子领域
制造电子设备、集成电路等 ，满足信息时代的需求。
医疗领域
利用生物材料和药物材料等 ，治疗疾病和改善人类健康 。
新型材料的发展趋势
01
高性能化
提高材料的力学性能、物理性能 和化学性能，满足高技术领域的
密度
表示材料的质量与体积之比，是材料的基本 物理属性。
热膨胀系数
描述材料在温度升高或降低时，其体积膨胀 或收缩的程度。
热导率
表示材料传导热量的能力，是保温材料的重 要指标。
折射率
光线在材料中传播的速度与在真空中的速度 之比，决定于材料的种类和状态。
材料的化学性质
稳定性
材料在化学环境中抵抗腐蚀、氧化等反应的能力。
原子力显微镜技术
利用原子力显微镜观察材料的表面形貌和粗 糙度等。
电子背散射衍射技术
利用电子背散射衍射分析材料的晶体取向和 相组成等。
X射线光电子能谱技术
通过X射线光电子能谱分析材料的化学组成 和价态等。
核磁共振技术
目录
• 材料科学简介 • 材料的基本性质 • 材料制备与加工技术 • 材料性能测试与表征 • 材料的应用与发展趋势
01
材料科学简介
材料科学的定义与重要性
定义
材料科学是研究材料的组成、结 构、性能、加工和应用的一门跨 学科的综合性科学。
重要性
材料科学是现代工业、科技和国 防发展的重要基础，对国民经济 和社会发展具有重要意义。
建筑领域
利用材料建造房屋、桥梁等 建筑物，满足人类居住和工
作需求。
1
交通领域
制造汽车、飞机、船舶等交 通工具，实现人类出行和运
输货物的需求。
电子领域
制造电子设备、集成电路等 ，满足信息时代的需求。
医疗领域
利用生物材料和药物材料等 ，治疗疾病和改善人类健康 。
新型材料的发展趋势
01
高性能化
提高材料的力学性能、物理性能 和化学性能，满足高技术领域的
密度
表示材料的质量与体积之比，是材料的基本 物理属性。
热膨胀系数
描述材料在温度升高或降低时，其体积膨胀 或收缩的程度。
热导率
表示材料传导热量的能力，是保温材料的重 要指标。
折射率
光线在材料中传播的速度与在真空中的速度 之比，决定于材料的种类和状态。
材料的化学性质
稳定性
材料在化学环境中抵抗腐蚀、氧化等反应的能力。
原子力显微镜技术
利用原子力显微镜观察材料的表面形貌和粗 糙度等。
电子背散射衍射技术
利用电子背散射衍射分析材料的晶体取向和 相组成等。
X射线光电子能谱技术
通过X射线光电子能谱分析材料的化学组成 和价态等。
核磁共振技术
26_材料科学基础有动画11原子结构课件
23
例题
1.何谓同位素？为什么元素的相对原子质量 不总为正整数？
答案：在元素周期表中占据同一位置，尽 管它们的质量不同，而它们的化学性质相 同的物质称为同位素。
由于各同位素的含中子量不同（质子数相 同），故具有不同含量同位素的元素总的 相对原子质量不为正整数。
24
例题
➢ 2.已知Si的相对原子质量为28.09，若100g的Si中有 5×1010个电子能自由运动，试计算能自由运动的电子占 价电子总数的比例为多少？
层占满后，电子才依次进入能量较高的壳层，即 核外电子排满了K层才排L层，排满了L层才排M 层……由里往外依次类推 ➢ 在同一电子层中，电子则依次按s，p，d，f的次 序排列
14
(2) Pauli不相容原理
在一个原子中不可能有运动状态完全相 同的两个电子ห้องสมุดไป่ตู้即不能有上述四个量子 数都相同的两个原子。
主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子。
荷电量相等，等于-e(1.6022x10-19 C)。
2
原子的结构（续）
➢原子的体积很小，直径约为10-10m数量级
➢原子核直径更小，仅为10-15m数量级 ➢原子的质量恰主要集中在原子核内（
每个质子和中子的质量大致为1.67X10-24g，而 电子的质量约为9.11X10-28g，仅为质子的 1/1836 ）
➢ (2)第二周期有两个电子壳层，n=2，可占据的电子状态 为1s2,2s2,2p6，共可容纳2+2+6=10个电子，故包含从锂
到氖的8个元素
➢ (3)第三周期有三个电子壳层，n=3，可占据的电子状态 除n=2的壳层外，还有3s2,3p6,3d10，但从前面的能级图 上知，E3d>E4s，因此，第三壳层中不包括3d态。故第三
例题
1.何谓同位素？为什么元素的相对原子质量 不总为正整数？
答案：在元素周期表中占据同一位置，尽 管它们的质量不同，而它们的化学性质相 同的物质称为同位素。
由于各同位素的含中子量不同（质子数相 同），故具有不同含量同位素的元素总的 相对原子质量不为正整数。
24
例题
➢ 2.已知Si的相对原子质量为28.09，若100g的Si中有 5×1010个电子能自由运动，试计算能自由运动的电子占 价电子总数的比例为多少？
层占满后，电子才依次进入能量较高的壳层，即 核外电子排满了K层才排L层，排满了L层才排M 层……由里往外依次类推 ➢ 在同一电子层中，电子则依次按s，p，d，f的次 序排列
14
(2) Pauli不相容原理
在一个原子中不可能有运动状态完全相 同的两个电子ห้องสมุดไป่ตู้即不能有上述四个量子 数都相同的两个原子。
主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子。
荷电量相等，等于-e(1.6022x10-19 C)。
2
原子的结构（续）
➢原子的体积很小，直径约为10-10m数量级
➢原子核直径更小，仅为10-15m数量级 ➢原子的质量恰主要集中在原子核内（
每个质子和中子的质量大致为1.67X10-24g，而 电子的质量约为9.11X10-28g，仅为质子的 1/1836 ）
➢ (2)第二周期有两个电子壳层，n=2，可占据的电子状态 为1s2,2s2,2p6，共可容纳2+2+6=10个电子，故包含从锂
到氖的8个元素
➢ (3)第三周期有三个电子壳层，n=3，可占据的电子状态 除n=2的壳层外，还有3s2,3p6,3d10，但从前面的能级图 上知，E3d>E4s，因此，第三壳层中不包括3d态。故第三
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7
The contents of this chapter
Discuss the basic principles of phase transformations.
Address the role various transformations play in the development of microstructure for alloys and the effects of microstructural changes on mechanical properties
microstructures for Fe-C alloys.
11
• Modified phase diagrams are introduced to determine microstructures
• Other microconstituents in addition to pearlite are presented and their mechanical properties are discussed.
number or composition of the
phases present are not change
★ include:
• solidification of a pure metal;
• allotropic transformations;
Light matrix phase:
aluminum solid solution
Small plate-shaped dark precipitate particles: Transitionuilibrium
(MgZn2)
phase 4
Why We Study Phase Transformations ?
In order to develop a set of desirable mechanical characteristics for a material.
Means: by specific heat treatment Based on: modified phase diagrams
it represent time and temperature dependencies of some phase transformations.
5
For example:
Tensile strength of Fe-C alloy of eutectoid composition (0.76wt% C) :
Varied 700~2000MPa ※ Depending on the
heat treatment employed
6
11. 1 Introduction
☞ One reason is that the metallic materials have wide range of mechanical properties.
Various means are available to manage the mechanical properties.
9
Treat crystallization, melting, and glass transition transformations in polymers
8
Phase Transformations in Metals
Metallic materials are versatile. Why?
10
Development of microstructure ordinarily involves phase transformation
Topics to discuss:
• Basic principles relating to transformation
• transformation rate • development of two phase
Strengthening mechanisms discussed: Grain size refinement, Solid-solution strengthening Strain hardening
Additional technique for strengthening: change mechanical properties by characteristic of microstructure
In a Boeing 767 airplane, above Al alloy used at:
wing skins parts of the internal wing structures selected areas of the fuselage
3
TEM of Al alloy
80475
CChahapptteerr 1111 Phase transformations
1
PART ONE
前言
请在此处添加具体内容，文字尽量言简意赅，见到 那描述即可，不必过于繁琐，注意版面美观度。
2
7150-T651 alloy
Al alloy composition:
6.2Zn, 2.3Cu, 2.3Mg, 0.12Zr, the balance Al
12
11. 2 Basic Concepts
A variety of phase transformations are divided into three classifications:
13
① simple diffusion-dependent
transformations
☀ characteristics:
★ Phase transformations often result in the change of microstructures of materials
☆ microstructures determine the mechanical and other properties of many materials.
The contents of this chapter
Discuss the basic principles of phase transformations.
Address the role various transformations play in the development of microstructure for alloys and the effects of microstructural changes on mechanical properties
microstructures for Fe-C alloys.
11
• Modified phase diagrams are introduced to determine microstructures
• Other microconstituents in addition to pearlite are presented and their mechanical properties are discussed.
number or composition of the
phases present are not change
★ include:
• solidification of a pure metal;
• allotropic transformations;
Light matrix phase:
aluminum solid solution
Small plate-shaped dark precipitate particles: Transitionuilibrium
(MgZn2)
phase 4
Why We Study Phase Transformations ?
In order to develop a set of desirable mechanical characteristics for a material.
Means: by specific heat treatment Based on: modified phase diagrams
it represent time and temperature dependencies of some phase transformations.
5
For example:
Tensile strength of Fe-C alloy of eutectoid composition (0.76wt% C) :
Varied 700~2000MPa ※ Depending on the
heat treatment employed
6
11. 1 Introduction
☞ One reason is that the metallic materials have wide range of mechanical properties.
Various means are available to manage the mechanical properties.
9
Treat crystallization, melting, and glass transition transformations in polymers
8
Phase Transformations in Metals
Metallic materials are versatile. Why?
10
Development of microstructure ordinarily involves phase transformation
Topics to discuss:
• Basic principles relating to transformation
• transformation rate • development of two phase
Strengthening mechanisms discussed: Grain size refinement, Solid-solution strengthening Strain hardening
Additional technique for strengthening: change mechanical properties by characteristic of microstructure
In a Boeing 767 airplane, above Al alloy used at:
wing skins parts of the internal wing structures selected areas of the fuselage
3
TEM of Al alloy
80475
CChahapptteerr 1111 Phase transformations
1
PART ONE
前言
请在此处添加具体内容，文字尽量言简意赅，见到 那描述即可，不必过于繁琐，注意版面美观度。
2
7150-T651 alloy
Al alloy composition:
6.2Zn, 2.3Cu, 2.3Mg, 0.12Zr, the balance Al
12
11. 2 Basic Concepts
A variety of phase transformations are divided into three classifications:
13
① simple diffusion-dependent
transformations
☀ characteristics:
★ Phase transformations often result in the change of microstructures of materials
☆ microstructures determine the mechanical and other properties of many materials.