8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
材料科学基础必考名词解释(一)
材料科学基础必考名词解释（一）
过冷：结晶只有在 T0 以下的实际结晶温度下才能进行，这种现象称为过冷。
过冷度：相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变，平衡相变温度与该
实际转变温度之差称过冷度。
光滑界面：界面的平衡结构应是只有少数几个原子位置被占据，或者极大部分原子位置都被固相原子占据，即界面基本上为完整的平面，这时界面呈光滑界面。
共晶转变：合金系中某一定化学成分的合金在一定温度下，同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相的过程称为共晶转变。
共析转变：由一种固相分解得到其他两个不同固相的转变。
共析反应：是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。共析转变也是固态相变
共格相界：如果两相界面上的所有原子均成一一对应的完全匹配关系,即界面上
的原子同时处于两相晶格的结点上,为相邻两晶体所共有,这种相界就称为共格
相界。
滑移线：材料在屈服时，试样表面出现的线纹称为滑移线。
滑移带：滑移线的集合构成滑移带，滑移带是由更细的滑移线所组成
滑移：在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地作少量的位移而逐步实现的。
位错滑移的特点：
1) 刃型位错滑移的切应力方向与位错线垂直，而螺型位错滑移的切应力方向与
位错线平行；
2) 无论刃型位错还是螺型位错，位错的运动方向总是与位错线垂直的；（伯氏 矢量方向代表晶体的滑移方向）
3) 刃型位错引起的晶体的滑移方向与位错运动方向一致，而螺型位错引起的晶
体的滑移方向与位错运动方向垂直；
4) 位错滑移的切应力方向与柏氏矢量一致；位错滑移后，滑移面两侧晶体的相
对位移与柏氏矢量一致。
5) 对螺型位错，如果在原滑移面上运动受阻时，有可能转移到与之相交的另一
滑移面上继续滑移，这称为交滑移 (双交滑移）
滑移系：晶体中一个滑移面及该面上一个滑移方向的组合称一个滑移系。 回复:指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段。
8.3 扩散和单相传质
福州大学化工原理电子教案 气体吸收
- 1 - 8.3 扩散和单相传质
在分析任一化工过程时都需要解决两个基本问题：过程的极限和过程的数率。吸收过程的极限决定于吸收的相平衡常数，在8.2节中作了讨论。本节将讨论吸收的速率问题。吸收过程涉及两相间的物质传递，它包括三个步骤：
① 溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递；
② 溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面上发生的溶解过程
③ 溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。
通常，第②步即界面上发生的溶解过程很容易进行，其阻力很小（传质阻力传质推动力传质速率）故认为相界面上的溶解推动力亦很小，小至可认为其推动力为零，则相界面上气、液组成满足相平衡关系，这样总过程的速率将由两个单相即①步气相和③步液相内的传质速率所决定。无论是气相还是液相，物质传递的机理包括以下两种。
（1）分子扩散。类似于传热中的热传导，是分子微观运动的宏观统计结果。混合物中存在温度梯度、压强梯度及浓度梯度都会产生分子扩散，本章仅讨论因浓度梯度而造成的分子扩散速率。发生在静止或层流流体里的扩散就是分子扩散。
（2）对流传质。是凭藉流体质点的湍流和漩涡而引起的扩散称为对流传质。发生在湍流流体里的传质除分子扩散外更主要的是对流传质。
将一勺砂糖投于杯水中，片刻后整杯的水都会变甜，这就是分子扩散的结果。若用勺搅动杯中水，则将甜得更快更均匀，那便是对流传质的结果。
以下仅讨论定态条件下双组分物系的分子扩散和对流传质。
8.3.1双组分混合物中的分子扩散
（1）费克定律
只要流体内部有浓度梯度，就会产生分子扩散，在恒温恒压下，一维分子扩散速率可用费克定律表达如下：
ddCDJAABA
浓度梯度ddCA指向浓度增加的方向，而扩散向浓度降低的方向进行，故式中加－负号。ABD为组分A在双组分混合物A、B中的扩散系数。
对双组分混合物，在总浓度（对气相也可说总压）各处相等及BAMCCC＝常数的前提下，也有
晶界知识系统讲解，值得收藏
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一、晶界的能量
1.小角晶界能小角晶界界面能：是晶界上所有位错的总能量。对倾转晶界，界面能是一系列同号位错产生的位错应变能。单位长度刃位错能量为：
式中G剪切模量，b柏氏矢量，ν泊松比，Ec位错中心能量，D位错间距。
2.大角晶界能
(1).任意大角晶界能
(2).特殊大角晶界能：a.共格孪晶界：是一种有孪晶关系的对称倾转晶界。共格原子基本处于无畸变的状态，共格孪晶界的能量非常低。b.非共格孪晶界：非共格态导致界面能较高。
晶界平衡偏析
3.晶界的能量
二、晶界平衡偏析
1. 晶界偏析：在平衡条件下，溶质原子（离子）在晶界处浓度偏离平均浓度。(1).偏析的自发趋势：晶界结构缺陷比晶内多，溶质原子（离子）处于晶内的能量比处在晶界的能量高，通过偏析使系统能量降低。
(2).偏析驱动力是内能差：设一个原子位于晶内和晶界的内能分别为El和Eg，则偏析的驱动力为：
(3).偏析阻力是组态熵(结构熵)：溶质原子趋向于混乱分布，晶内位置数(N)大于晶界位置数(n)，构成了偏析的阻力。设晶内及晶界的溶质原子数分别为P和Q，则P个溶质原子占据N个位置和Q个溶质原子占据n个位置的组态熵为：
(4).偏析表达式该分布状态下的吉布斯自由能为（斯特林公式lnx!≈xlnx－x）：
平衡条件为：
平衡关系式：
或：
用C及C0表示晶界和晶内的溶质浓度，则：
令ΔE表示1mol原子溶质位于晶内及晶界的内能差：
对稀固溶体，C0＜＜l，上式近似写成：
再做近似： (5).影响晶界偏析的因素
●溶质浓度C0: 随溶质的平衡浓度增加而增加。
●温度:因△E为正，故随温度升高C下降。温度高TS项影响大，使偏析的趋势下降；但温度过低，平衡C虽高，但受扩散限制而达不到较高的C值。
●内能△E:内能差△E越大，偏析浓度C越高。点击下载18款必备科研软件。内能差与溶质和溶剂原子尺寸差相关，也与电子因素有关。
晶体生长第八章 生长速率起伏和生长层
第八章 生长速率起伏和生长层
晶体生长速率起伏，影响杂质分凝，于是杂质分布出现生长层。生长层影响晶体质量及均匀性、微区均匀性，但它又是研究晶体生长机制的有利工具。
§1 生长条纹（旋涡）
1． 生长速率引起杂质起伏
)exp()1(000DVkkkkeff
适应于稳态分凝
2． 生长层形态
（1） 旋转生长层
热场中心与晶体旋转几何中心不重合。偏心距大，生长起伏愈大，在直拉法中，设在稳态温场下，且固液界面的温度恒为凝固温度Tm。
生长速率等于单位时间内晶体相对于T=Tm等温面的位移。先求生长速率V0=V时，晶转ω，晶体旋转一周，A点沿垂直方向振动的振幅Δz，A点的位移z，可以表示为：
tzSinZ2
负号表示所选取的坐标轴系与晶体提拉方向一致。见图（8-1）。当提拉速度为零时，晶转一周，所引起的生长速率起伏应为：tzCosdtdzzV22 (8-1) 若提拉速率为V0,则晶体生长速率为:
tzCosVV220 (8-2)
设在固液界面处的温度梯度为zTG,其中ΔT是界面上点A当晶体旋转一周时的温度起伏.
mmTTTTT21
对曲率恒定的界面, ΔT决定于偏心距d及A点与转轴的间距r.并且与温场有关:
tCosGTVV220
或 )21(0tCosVV瞬时生长速率(8-3)
02GVT当α>1时,生长速率有时可以变为负值.
即0)1(0minVV
它意味着晶体每旋转一周,有时可能重新熔化,我们称之为回熔.
温度起伏ΔT愈大,生长速率起伏愈大;偏心距d越大,生长速率起伏愈大.
南航818材料大纲
考试科目 考研大纲
818 材料科学基础 考试内容：以金属材料为主线（兼顾高分子与陶瓷相关内容），主要考核材料的结构、相图与相变、晶体缺陷、表面与界面、固体中的扩散以及材料的形变与再结晶等内容。
第1章 晶体学基础
晶体点阵和空间点阵，布拉菲点阵，晶向指数和晶面指数，晶带定理，晶体对称性的基本概念。
第2章 固体材料的结构
原子键合及其特性，典型金属的晶体结构，合金相的晶体结构；
陶瓷材料的典型结构，硅酸盐的结构；
高分子的近程结构、远程结构及聚集态结构。
第3章 固体中的扩散
扩散定律及其应用，扩散微观理论与机制，柯肯达尔效应，影响扩散的因素，反应扩散。
第4章 凝固
液态金属的结构，高分子溶液，纯金属的凝固，固溶体合金的凝固，共晶合金的凝固，铸锭组织与凝固技术。
第5章 相图
相图基础知识；
二元相图（铁碳相图是重点）；
三元相图(三元共晶相图和三元相图小结是重点)。
第6章 固态相变的基本原理，不考
第7章 晶体缺陷
点缺陷、位错的基本知识，位错的运动，位错的弹性性质与交互作用，位错的生成与增殖，实际晶体中的位错，FCC晶体中位错反应的一般表示
第8章 材料表面与界面
晶体中的界面结构，界面能量，晶体中界面的偏聚与迁移
第9章 金属材料的变形与再结晶
金属的塑性变形的微观机制，滑移系与滑移的临界分切应力，合金的塑性变形与强化
第10章 非金属材料的应力-应变行为与变形机制
陶瓷材料的应力-应变行为，高聚物的分子运动与转变，高聚物的高弹性和粘弹性，高聚物的应力－应变行为
830 金属材料学 1．了解合金元素在钢中的存在形式，掌握合金元素对Fe-Fe3C相图及热处理的影响，合金元素对钢的不锈性能、耐热及抗氧化性能的影响；熟悉钢及有色金属材料强化的机制。
2．了解碳钢的成分及性能特点，掌握常用合金钢（工程结构用合金钢、机器零件用合金钢、工模具用合金钢）的服役条件、性能特点，化学成分设计和热处理；
818材料科学基础
1.《材料科学基础》，陶杰 姚正军 薛烽 主编，化学工业出版社，2006年；
2.《材料科学基础全真试题及解析》，陶杰 姚正军 薛烽 等主编，化学工业出版社，2006年。
考试内容：以金属材料为主线（兼顾高分子与陶瓷相关内容），主要考核材料的结构、相图与相变、晶体缺陷、表面与界面、固体中的扩散以及材料的形变与再结晶等内容。
第1章 晶体学基础
晶体点阵和空间点阵，布拉菲点阵，晶向指数和晶面指数，晶带定理，晶体对称性的基本概念。
第2章 固体材料的结构
原子键合及其特性，典型金属的晶体结构，合金相的晶体结构；
陶瓷材料的典型结构，硅酸盐的结构；
高分子的近程结构、远程结构及聚集态结构。
第3章 固体中的扩散
扩散定律及其应用，扩散微观理论与机制，柯肯达尔效应，影响扩散的因素，反应扩散。
第4章 凝固
液态金属的结构，高分子溶液，纯金属的凝固，固溶体合金的凝固，共晶合金的凝固，铸锭组织与凝固技术。
第5章 相图
相图基础知识；
二元相图（铁碳相图是重点）；
三元相图(三元共晶相图和三元相图小结是重点)。
第6章 固态相变的基本原理，不考
第7章 晶体缺陷
点缺陷、位错的基本知识，位错的运动，位错的弹性性质与交互作用，位错的生成与增殖，实际晶体中的位错，FCC晶体中位错反应的一般表示
第8章 材料表面与界面
晶体中的界面结构，界面能量，晶体中界面的偏聚与迁移
第9章 金属材料的变形与再结晶
金属的塑性变形的微观机制，滑移系与滑移的临界分切应力，合金的塑性变形与强化
第10章 非金属材料的应力-应变行为与变形机制
陶瓷材料的应力-应变行为，高聚物的分子运动与转变，高聚物的高弹性和粘弹性，高聚物的应力－应变行为
晶界对性能的影响解析
晶界对合金性能的影响机理
晶界是固体材料中的一种面缺陷，根据晶界角度的大小可以分为小角晶界
（θ<10°）和大角晶界，亚晶界均属小角度晶界，一般小于2°，多晶体中90％以
上的晶界属于大角度晶界。根据晶界上原子匹配优劣程度可以分为重位晶界和混
乱晶界。在晶界处存在一些特殊的性质：（1）晶界处点阵畸变大，存在晶界能。
晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从而降低晶界的总能量，这是一
个自发过程。晶粒的长大和晶界的平直化均需通过原子的扩散来实现，因此，温
度升高和保温时间的增长，均有利于这两过程的进行；（2）晶界处原子排列不规
则，在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，
宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒越细，材料的强度越高，这
就是细晶强化；高温下则由于晶界存在一定的粘滞性，易使相邻晶粒产生相对滑
动；（3）晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多的缺
陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多；（4）
在固态相变过程中，由于晶界能量较高且原子活动能力较大，所以新相易于在晶
界处优先形核。原始晶粒越细，晶界越多，则新相形核率也相应越高；（5）由于
成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子的情况下，往往晶界熔点较低，
故在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化和氧化，导致“过热”现象产生；
（6）由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质原子的缘故，
与晶内相比晶界的腐蚀速度一般较快。这就是用腐蚀剂显示金相样品组织的依
据，也是某些金属材料在使用中发生晶间腐蚀破坏的原因；（7）低温下晶界强度
比晶粒内高，高温下晶界强度比晶内低，表现为低温弱化。
基于上述几点晶界的特殊性质，使得多晶材料的塑性变形、强度、断裂、脆
性、疲劳和蠕变等性能与单晶材料相比存在很大差异，即晶界不同的特殊性质具
体体现在了合金的不同性能。但合金性能与晶界特性间绝不是一一对应的关系，
晶界特性
晶界特性：5个特性
由于晶界的结构与晶粒内部有所不同就使晶界具有一系列不同于晶粒内部的特性
首先由于晶界上的原子或多或少地偏离了其平衡位置，因而就会或多或少地具有界面能或晶界能一般为
1. 界面能越高，则晶界越不稳定。
2. 因此，高的界面能就具有向低的界面能转化的趋势，这就致了晶界的运动。
3. 晶粒长大和晶界的平直化都可减少晶界的总面积，从而降低晶界的总能量。
4. 理论和实验结果都表明，大角度晶界的界面能远髙于小角度晶界的界面能,所以大角度晶界的迁移速率较小角度晶界大。
5. 当然，晶界的迀移是原子的扩散过程，只有在比较高的温度下才有可能进行。
晶界偏聚特性：
1. 由于界面能的存在，当金属中存在有能降低界面能的异类原子时，这些原子就将向品界偏聚，这种现象称为内吸附。例如往钢中加入微量的硼 ，即向品界偏聚，这对钢的性能有重要影响
2. 相反，凡是提高界面能的原子，将会在晶粒内部偏聚，这种现象叫做反内吸附。
3. 内吸附和反内吸附现象对金属及合金的性能和相变过程有着重要的影响
晶界对金属材料的塑性变形起着阻碍作用
1. 由于晶界上存在晶格畸变因而在室温下对金属材料的塑性变形起着阻碍作用
2. 在宏观上表现为使金属材料具有更高的强度和硬度
3. 显然，晶粒越细，金属材料的强度和硬度便越高
因此对于在较低温度下使用的金属材料一般总是希望获得较细小的晶粒
其他特性：
1. 此外，由于界面能的存在，使晶界的熔点低于晶粒内部，且易于腐蚀和氧化。
2. 晶界上的空位、位错等缺陷较多，因此原子的扩散速度较快，在发生相变时，新相晶核往往首先在晶界形成。
金属由液态向固态的相变过程。除某些液态金属合金在激冷条件下“冻结”成具有无定形结构的非晶态金属外，金属的凝固在多数情况下，是晶体或晶粒的生成和长大的过程。金属凝固过程还伴随着体积变化、气体脱溶和元素偏析等现象。绝大部分金属材料是在液态中纯化（去气、去杂质等），调整成分,而后浇铸成锭,再加工成材，或直接铸造成部件。因此，金属的凝固不但决定了金属和合金的结构、组织和性能，而且还影响着以后的塑性加工和热处理。
资料-《晶体缺陷与强度理论》
南 京 航 空 航 天 大 学
第1页 （共4页）
二○一○～二○一一 第二学期《晶体缺陷与强度理论》考试试题
考试日期： 2011年6月24 日 试卷类型：A 试卷代号：
班号 学号 姓名
题号 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 总分
得分
一、 名词解释（25分）
1、交滑移：在适当应力作用下,或者当滑移受到障碍时,滑移可以在保持滑移方向不变的条件下由一个滑移面转至另一滑移面,这种现象称为交滑移。
2、割阶：由于位错之间的相互作用，而在位错线上形成的不位于滑移面上的位错台阶，且不会自动消失。就叫割阶
3、科垂尔气团：溶质原子的体积与基体原子的体积不相适应而在刃型位错上方或下方集中偏聚的结构为柯氏气团。
4、晶界偏析：晶界结构比晶内松散，具有一定的表面效应，溶质原子处在晶内的能量比处在晶界的能量要高，所以溶质原子有自发向晶界偏聚的趋势，这种使得溶质在表面或界面上聚集的现象称为晶界偏析。
5、堆垛层错：实际晶体结构中，密排面的正常结构顺序有可能遭到错排或破坏，称为堆垛层错。简称层错。由堆垛层错引起的能量增量，叫层错能，常以单位面积层错能（J /m 2）表示。
本题分数
得 分
第2页（共4页）
二、简答题（60分）
1．什么是孪生？简述产生孪生变形的条件及孪生变形的作用。
在外力作用下,晶体的一部分相对于另一部分,沿着一定的晶面和一定的晶向发生切变.切变之后,两部分晶体的位向以切变面为镜面,呈对称关系.这种变形方式叫孪生。
条件：(1)一定晶体有一定的孪生临界分切应力τc，只有外加应力在孪生方向上的分切应力达到τc才有可能发生孪生；
材料学科基础试题答案
1 材料科学基础试题及答案
一、出题形式一：填空类
1．在立方系中，晶面族{123}中有 24 组平面，晶面族{100}中有 3 组平面。
2．获得高能量的原子离开原来的平衡位置，进入其它空位或迁移至晶界或表面，形成 肖脱基
空位。如果离位原子进入晶体间隙，形成 费仑克尔 空位。
3．点缺陷的类型分为 空位 和间隙原子；当相遇时两者都消失，这一过程称为 复合或湮灭 。
4．刃型位错的柏氏矢量b与位错线t互相 垂直 ，刃型位错移动的方向与b方向 一致 。螺型位错的移动方向与柏氏矢量b 垂直 ，螺型位错的柏氏矢量b方向与位错线t的方向 平行 。
5．由于界面能的存在，当晶体中存在能降低界面能的异类原子时，这些原子将向境界偏聚，这种现象叫 内吸附 。
6．均匀形核必须具备的条件是：1.必须过冷；2. 必须具备与一定多冷度相适应的 能量起伏 和
结构起伏 。
7．面心立方结构的滑移面是{111}，共有 4 组，每组滑移面上包含 3 个滑移方向，共有 12
个滑移系。
8．由于 晶界阻滞 效应及 取向差 效应，使多晶体的变形抗力比单晶体大，其中， 取向差 效应是多晶体加工硬化更主要的原因。
9．滑移面应是面间距最 大的密排 面，滑移方向是原子最 密排 方向。
10．金属塑性变形时，外力所作的功除了转化为热量之外，还有一小部分被保留在金属内部，表现为
残余应力 。
11．金属的热变形是指金属材料在再结晶温度以上的加工变形，在此过程中，金属内部同时进行着加工硬化和 回复再结晶 软化两个过程。
12. 扩散的驱动力是 化学位梯度 ；再结晶的驱动力为 冷变形所产生的储存能的释放
；再结晶后晶粒的长大的驱动力是： 晶粒长大前后的界面能差 ，纯金属结晶的驱动力是 温度梯度 。