晶态固体中的原子扩散
第一章晶体中的原子扩散
1晶体中溶质原子扩散影响因素简述
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2，镍板和钽板均有厚度为0.05毫米的氧化镁板作为阻挡层。镍在1400℃时通过氧化镁扩散到钽中，镍在
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氧化镁中的扩散系数为D=9×1012cm2/s，镍的晶格常数为3.6×108cm 要求在2×
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2 cm2的面积上每秒通过氧化镁阻挡层扩散的镍的数量，并确定扩散掉1毫米厚的镍层所需的时间。
3，渗碳强化0.1%碳的齿轮气体，渗碳气氛含碳1.2%，在齿轮表层以下0.2厘米碳含量为0.45%时，齿轮性能最佳。众所周知，铁具有面心立方结构，铁中碳的d0 = 0.23，活化能q = 32900 cal/mol，误差函数见表10-1。1)尝试设计最佳渗碳工艺；
2)在相同的渗碳温度下，在1000℃渗碳时，渗碳厚度应加倍，即要求渗碳后在表面以下0.4厘米的渗碳时间为含碳量的0.45%。
xxerf(2Dt)0.0000 0.1125 0.2227 0.3286 0.4284 0.5205 0.6039
xxerf(2Dt)0.6778 0.7421 0.7969 0.8247 0.8802 0.9103 0.9340表10-1 2DT和ERF(2Dt)X2DT的相应值测试并指出样品从表面到中心的微观结构分布。
5，一种用于运载重物的低碳钢板，表面渗碳用于提高其表面硬度。测试分析:为什么是
1)渗碳？-在Fe但不是在？-铁，即渗碳温度应高于727？为什么？
2)渗碳温度高于1100？会出现什么问题？
6和铜锌基单相固溶体均化。讨论了以下问题:1)枝晶偏析能否在有限的时间内完全消失？
2)该合金均匀化退火前的冷加工将加速或不影响均匀化过程？解释原因
7，原子扩散在材料中的应用
8，什么是上坡扩散，给出两个例子说明金属中的上坡扩散现象。9.简述固溶体合金
的扩散机制
试卷八 2008年攻读硕士学位研究生入学考试试题 考试科目：材料科学基础 适用专业：材料科学与工程 一、名词解释 1．金属键 2．问隙固溶体 3．肖脱基空位 4．共晶转变 5．负温度梯度 6．上坡扩散 7．形变织构 8．惯习面 9．时效 10．一级相变 二、填空 1．如果晶体中不同的原子面用A、B、C、D等字母来表示，面心立方晶体中原子的堆垛方式为 (1) ，密排六方晶体原子的堆垛方式为 (2) 。 2．原子或离子的 (3) 是指在晶体结构中，该原子或离子的周围与它直接相邻结合的原子个数或所有异号离子的个数。 3．点缺陷的平衡浓度随 (4) 的升高而增大。 4．柏氏矢量等于点阵矢量的位错称为 (5) ；在面心立方晶体中，由 (6) 造成的不全位错称为肖克莱不全位错；由插入或者抽去一层密排面造成的不全位错称为 (7) 不全位错。 5．由一个固相同时析出成分和晶体结构均不相同的两个新固相的过程称为(8) 转变。 6．在合金平衡相图中，确定一定温度和合金组分下合金内存在的各相的比例时，可以通过等温连接线，利用 (9) 定律进行计算。 7．在均一的液相中靠自身的结构起伏和能量起伏等条件形成晶核的方式称为 (10) 形核。 8．固态相变形核的驱动力是 (11) ，阻力主要是 (12) 和 (13) 。 9．金属多晶体塑性变形至少需 (14) 独立滑移系开动。 10．发生在固体表面的吸附可分为 (15) 和 (16) 两种类型。 11．根据界面上原子排列结构不同，可把固体中的相界面分为 (17) 、(18) 和 (19) 界面。 12．能产生交滑移的位错必然是 (20) 位错。 三、判断正误 1．与CsCl类似，CsBr具有AX类型的体心立方晶体结构。 2．在非晶态固体材料中，原子在三维空间不具备周期性的重复排列，处于完全无序状态。 3．溶质和溶剂晶体结构相同，是形成连续固溶体的充分必要条件。
表面扩散 是指原子、离子、分子以及原子团在固体表面沿表面方向的运动。当固体表面存在化学势梯度场，扩散物质的浓度变化或样品表面的形貌变化时，就会发生表面扩散。 表面原子是在周期势中断的平面上移动，因而，表面扩散与体内扩散固然有许多相同之处，但也有自身特点。主要是扩散率高，在晶须生长实验中，观察到的表面扩散率高达1厘米2/秒,这已与气相扩散过程相近，表面扩散过程与表面的取向有关，用场离子显微镜观察到单个铼原子在铱的(111)、(113)平台上的异质表面扩散激活能分别为0.52eV及1.17eV，差别很大；表面状态如吸附物质的存在，也会强烈影响表面扩散。 热振动能量的涨落可能使表面原子获得足够的能量克服表面势垒，变成近邻位置上的吸附原子，这是最简单的完整晶体表面自扩散。在实际晶体表面上存在各种类型的缺陷，根据表面条件，表面原子可以在平台上或沿台阶移动；表面原子也可填充到表面空位上，引起空位的迁移；或发生更加复杂的扩散过程。 研究表面扩散的实验方法主要是放射性示踪、物质传递、场离子显微镜及场发射等技术。人们运用这些实验方法测定表面扩散系数,用以研究表面动力学过程,确定表面势。表面扩散与烧结、晶体生长、薄膜工艺、蠕变等密切相关。但对表面扩散过程机理的了解有待深入。 表面物理学 发展极为迅速的领域。 表面物理学是固体表面附近的几个原子层内具有许多异于体内的 对称性质。表面物理学研究在超高真空下（10-10～10-11Torr），这 几个原子层内原子的排列情况、电子状态、吸附在表面上的外来 原子或分子以及在表面几个原子层内的外来杂质的电子状态和其 他物理性质。实验上是通过电子束、离子束、原子束、光子、热、 电场和磁场等与表面的相互作用而得到有关表面结构、表面电子 态、吸附物的品种、结合的类型和成键的取向等信息。例如：由 于偏析造成化学成分与体内不同，原子排列情形不同，表明能吸 附外来原子或分子形成有序或无序的覆盖层等 表面物理学-内容 表面结构 理想的晶体表面具有二维周期性，其单位网格由基矢a1和a2决定,根据对称性的要求，可能形成的二维单位网格有五种，如图1所示，这五种格子常称为二维布喇菲格子。由于表面原子受力的情况与体内不同,或由于有外来原子的吸附，最表面层原子常会有垂直于或倾斜 于表面的位移，表面下的数层原子也会有相应的垂直或横向位移，因而表面单位网格的基矢
《材料科学基础》考研大纲 一、试题范围 1. 材料结构、扩散、界面与固态相变（35-45%） 1.1 材料的结构（10-15%） 目的与要求：掌握常见金属的晶体结构、离子化合物结构，了解高分子材料的结构 1) 常见的晶体结构 晶体化学基本原理、典型金属的晶体结构、无机化合物晶体结构 重点：晶体紧密堆积原理，常见的金属和离子化合物结构类型 2）固溶体和金属间化合物的晶体结构、置换固溶体及影响因素、间隙固溶体、有序固溶体 重点：固溶体的类型及特点 3）高分子材料结构，硅酸盐晶体结构 高分子链结构、聚集态结构、硅酸盐晶体结构：岛状结构、组群状结构、链状结构、层状结构和架状结构 重点：硅酸盐的晶体结构类型及特点 4）非晶态固体结构及准晶体 玻璃的概念、通性、结构、硅酸盐玻璃和金属玻璃、准晶体的结构模型、制备、性能与应用 重点：晶体结构 1.2 晶态固体中的扩散（5-10%） 目的与要求：掌握扩散的宏观规律，微观机制，热力学驱动力和反应扩散 1）扩散的宏观规律 菲克第一定律与稳态扩散、菲克第二定律与非稳态扩散 重点：菲克第一、二定律的定义及应用 2）扩散的微观机制 扩散机制、固态原子的无规行走及相关效应、原子跳动与扩散系数的微观表达式 重点：扩散的微观机制及与宏观机制的联系 3）扩散系数 扩散系数与扩散激活能、扩散系数的测定及影响扩散系数的因素、本征扩散系数与互扩散系数 重点：扩散系数的推导及影响因素，柯肯达尔效应 4）扩散的热力学分析 推动扩散原子定向迁移的“力”、菲克定律的普遍形式、上坡扩散 重点：扩散热力学分析和上坡扩散 5）反应扩散与离子晶体中的扩散 反应扩散概念、离子晶体的缺陷、离子晶体中扩散系数的确定、离子电导率与扩散系数的关系 重点：扩散规律，扩散机制，扩散热力学 1.3晶态固体材料中的界面（5-10%） 目的与要求：掌握表面、界面的定义、分类、性质，了解相界面的定义、分类和特点 1）晶体表面 表面结构与性质、表面能与晶体的平衡外形 重点：表面的定义和结构特点
第4章固体中原子及分子的运动 物质的迁移可通过对流和扩散两种方式进行。在气体和液体中物质的迁移一般是通过对流和扩散来实现的。但在固体中不发生对流，扩散是唯一的物质迁移方式，其原子或分子由于热运动不断地从一个位置迁移到另一个位置。扩散是固体材料中的一个重要现象，诸如金属铸件的凝固及均匀化退火，冷变形金属的回复和再结晶，陶瓷或粉末冶金的烧结，材料的固态相变，高温蠕变，以及各种表面处理等等，都与扩散密切相关。要深入地了解和控制这些过程，就必须先掌握有关扩散的基本规律。研究扩散一般有两种方法： ①表象理论一根据所测量的参数描述物质传输的速率和数量等； ②原子理论一扩散过程中原子是如何迁移的。 本章主要讨论固体材料中扩散的一般规律、扩散的影响因素和扩散机制等内容。 固体材料涉及金属、陶瓷和高分子化合物三类； 金属中的原子结合是以金属键方式； 陶瓷中的原子结合主要是以离子键结合方式为主； 而高分子化合物中的原子结合方式是共价键或氢键结合，并形成长链结构，这就导致了三种类型固体中原子或分子扩散的方式不同，描述它们各自运动方式的特征也是本章的主要目的之一。 4.1表象理论 4.1.1菲克第一定律 当固体中存在着成分差异时，原子将从浓度高处向浓度低处扩散。如何描述原子的迁移速率，阿道夫·菲克（Adolf Fick）对此进行了研究，并在1855年就得出：扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比，即 该方程称为菲克第一定律或扩散第一定律。式中，J为扩散通量，表示单位时间内通过垂直于扩散方向x的单位面积的扩散物质质量，其单位为kg/(m2s)；D为扩散系数，其单位为m2/s；而r是扩散物质的质量浓度，其单位为kg/m3。式中的负号表示物质的扩散方向与质量浓度梯度 4.2扩散的热力学分析 菲克第一定律描述了物质从高浓度向低浓度扩散的现象，扩散的结果导致浓度梯度的减小，
第四章固体中的扩散 物质传输的方式： 1、对流--由内部压力或密度差引起的 2、扩散--由原子性运动引起的 固体中物质传输的方式是扩散 扩散：物质中的原子或分子由于热运动而进行的迁移过程 本章主要内容: 扩散的宏观规律：扩散物质的浓度分布与时间的关系 扩散的微观机制：扩散过程中原子或分子迁移的机制 一、扩散现象 原子除在其点阵的平衡位置作不断的振动外，某些具有高能量的单个原子可以通过无规则的跳动而脱离其周围的约束，在一定条件下，按大量原子运动的统计规律，有可能形成原子定向迁移的扩散流。
将两根含有不同溶质浓度的固溶体合金棒对焊起来，形成扩散偶，扩散偶沿长度方向存在浓度梯度时，将其加热并长时间保温，溶质原子必然从左端向右端 迁移→扩散。沿长度方向浓度梯时逐渐减少，最后整个园棒溶质原 子浓度趋于一致 二、扩散第一定律（Fick第一定律） Fick在1855年指出：在单位时间内通过垂直于扩散方向某一单位截面积的扩散物质流量 （扩散通量）与该处的浓度梯度成正比。 数学表达式（扩散第一方程） 式中 J：扩散通量：物质流通过单位截面积的速度，常用量钢kg·m-2·s-1
D：扩散系数，反映扩散能力，m2/S ：扩散物质沿x轴方向的浓度梯度 负号：扩散方向与浓度梯度方向相反 可见：1）, 就会有扩散 2）扩散方向通常与浓度方向相反，但并非完全如此。 适用：扩散第一定律没有考虑时间因素对扩散的影响，即J和dc/dx不随时间变化。故Fick 第一定律仅适用于dc/dt=0时稳态扩散。 实际中的扩散大多数属于非稳态扩散。 三、扩散第二定律（Fick第二定律） 扩散第二定律的数学表达式 表示浓度－位置－时间的相互关系推导： 在具有一定溶质浓度梯度时固溶体合金棒中（截面积为A）沿扩散方向的X 轴垂截取一个微体积元A·dx，J 1，J 2 分别表示流入和流出该微体积元的扩散通 量，根据扩散物质的质量平衡关系，流经微体积的质量变化为： 流入的物质量—流出的物质量=积存的物质量 物质量用单位时间扩散物质的流动速度表示，则流入速率为 ，流出速率为
1扩散定律及其应用 物质中的原子随时进行着热振动，温度越高，振动频率越快。当某些原子具有足够高的能量时，便会离开原来的位置，跳向邻近的位置，这种由于物质中原子（或者其他微观粒子）的微观热运动所引起的宏观迁移现象称为扩散。 在气态和液态物质中，原子迁移可以通过对流和扩散两种方式进行，与扩散相比，对流要快得多。然而，在固态物质中，扩散是原子迁移的唯一方式。固态物质中的扩散与温度有很强的依赖关系，温度越高，原子扩散越快。实验证实，物质在高温下的许多物理及化学过程均与扩散有关，因此研究物质中的扩散无论在理论上还是在应用上都具有重要意义。 物质中的原子在不同的情况下可以按不同的方式扩散，扩散速度可能存在明显的差异，可以分为以下几种类型。 ①化学扩散和自扩散：扩散系统中存在浓度梯度的扩散称为化学扩散，没有浓度梯度的扩散称为自扩散，后者是指纯金属的自扩散。 ②上坡扩散和下坡扩散：扩散系统中原子由浓度高处向浓度低处的扩散称为下坡扩散，由浓度低处向浓度高处的扩散称为上坡扩散。 ③短路扩散：原子在晶格内部的扩散称为体扩散或称晶格扩散，沿晶体中缺陷进行的扩散称为短路扩散，后者主要包括表面扩散、晶界扩散、位错扩散等。短路扩散比体扩散快得多。 ④相变扩散：原子在扩散过程中由于固溶体过饱和而生成新相的扩散称为相变扩散或称反应扩散。 本章主要讨论扩散的宏观规律、微观机制和影响扩散的因素。 1.1扩散第一定律 在纯金属中，原子的跳动是随机的，形成不了宏观的扩散流；在合金中，虽然单个原子的跳动也是随机的，但是在有浓度梯度的情况下，就会产生宏观的扩散流。例如，具有严重晶内偏析的固溶体合金在高温扩散退火过程中，原子不断从高浓度向低浓度方向扩散，最终合金的浓度逐渐趋于均匀。 菲克（A.Fick）于1855年参考导热方程，通过实验确立了扩散物质量与其浓度梯度之间的宏观规律，即单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的物质量（扩散通量）与该物质在该面积处的浓度梯度成正比，数学表达式为 （3.1）
注意：习题按以下内容结构给出， 加深理解本课程的内容和结构。 绪论 第一篇材料的原子结构 第一章材料的原子结构 第二篇材料的晶体结构与缺陷 第二章材料的结构 第三章晶体结构缺陷 第七章晶态固体材料中的界面 第三篇材料的组织结构 第五章相平衡与相图 第四章晶态固体中的扩散 第六章材料的凝固-----材料的制备工艺基础理论 材料的结构 相图与相变 【综合习题】 绪论 一、填空题 1、材料科学主要研究的核心问题是结构和性能的关系。 材料的结构是理解和控制性能的中心环节，结构的最微细水平是原子水平，第二个水平是原子的排列方式，第三个水平是显微组织。2. 根据材料的性能特点和用途，材料分为结构材料和功能材料两大类。 根据原子之间的键合特点，材料分为金属、陶瓷、 高分子和复合材料四大类。 第一篇材料的原子结构 第一章材料的原子结构 一、填空题 1. 金属材料中原子结合以金属键为主，陶瓷材料（无机非金属材料）以 共价键和离子键结合键为主，聚合物材料以共价键和氢键和范德华
键为主。 第二篇 材料的晶体结构与缺陷 第二章 材料的结构 一、填空题 1、晶体是 基元以周期性重复的方式在三维空间作有规则排列的固体。 2、晶体与非晶体的最根本区别是 晶体长程有序，非晶体长程无序短程有序 。 3、晶胞是 晶体结构中的最小单位 。 4、根据晶体的对称性，晶系有 3 大晶族， 7 大晶系， 14 种布拉菲Bravais 点阵， 32 种点群， 230 种空间群。 5、金属常见的晶格类型有 面心立方 、 体心立方 、 密排六方 。 6、fcc 晶体的最密排方向为 【111】 ，最密排面为 （110） ，最密排面的堆垛顺序为 ABCABCABC …… 。 7、fcc 晶体的致密度为 0.84 ，配位数为 12 ，原子在（111）面上的原子配位数为 6 。 8、bcc 晶体的最密排方向为 【110】 ，最密排面为 （111） ，致密度为 0.76 ，配位数为 8 。 9、晶体的宏观对称要素有 对称点 、 对称轴 、 对称面 。 10、CsCl 型结构属于 简单立方格子 ，NaCl 型结构属于 面心立方格子 ，CaF 2型结构属于 面心立方格子 。 11、MgO 晶体具有 NaCl 型结构，其对称型是 3L4 4L3 6L2 9PC ， 晶族是 高级晶族 ，晶系是 立方晶系 ，晶体的键型是 离子键 。 12、硅酸盐晶体结构中的基本结构单元是 氧硅四面体 。 13、几种硅酸盐晶体的络阴离子分别为[Si 2O 7]6-、[Si 2O 6]4-、[Si 4O 10]4-、[AlSi 3O 8]1-， 它们的晶体结构类型分别为 ， ， ， 和 。 14、表征晶体中晶向和晶面的方法有 解析法 和 图示 法。 二、分析计算 1、（2-3）（1）晶面A 在x 、y 、z 轴上的截距分别是2a 、3b 和6c ，求该晶面的米勒指数；（2）晶面B 在x 、y 、z 轴上的截距分别是a/3、b/2和c ，求该晶面的米勒指数。 2、（2-4）在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向，每一组画在同一个晶胞中，并说明每一组晶面和晶向的关系。 ()0????001与21, ()11????111与2, ()[]111110与, ()[]322362与, ()257111????与,
晶态固体中的原子扩散 第一章晶体中的原子扩散 1晶体中溶质原子扩散影响因素简述 ++ 2，镍板和钽板均有厚度为0.05毫米的氧化镁板作为阻挡层。镍在1400℃时通过氧化镁扩散到钽中，镍在 - 氧化镁中的扩散系数为D=9×1012cm2/s，镍的晶格常数为3.6×108cm 要求在2× + 2 cm2的面积上每秒通过氧化镁阻挡层扩散的镍的数量，并确定扩散掉1毫米厚的镍层所需的时间。 3，渗碳强化0.1%碳的齿轮气体，渗碳气氛含碳1.2%，在齿轮表层以下0.2厘米碳含量为0.45%时，齿轮性能最佳。众所周知，铁具有面心立方结构，铁中碳的d0 = 0.23，活化能q = 32900 cal/mol，误差函数见表10-1。1)尝试设计最佳渗碳工艺； 2)在相同的渗碳温度下，在1000℃渗碳时，渗碳厚度应加倍，即要求渗碳后在表面以下0.4厘米的渗碳时间为含碳量的0.45%。 xxerf(2Dt)0.0000 0.1125 0.2227 0.3286 0.4284 0.5205 0.6039
xxerf(2Dt)0.6778 0.7421 0.7969 0.8247 0.8802 0.9103 0.9340表10-1 2DT和ERF(2Dt)X2DT的相应值测试并指出样品从表面到中心的微观结构分布。 5，一种用于运载重物的低碳钢板，表面渗碳用于提高其表面硬度。测试分析:为什么是 1)渗碳？-在Fe但不是在？-铁，即渗碳温度应高于727？为什么？ 2)渗碳温度高于1100？会出现什么问题？ 6和铜锌基单相固溶体均化。讨论了以下问题:1)枝晶偏析能否在有限的时间内完全消失？ 2)该合金均匀化退火前的冷加工将加速或不影响均匀化过程？解释原因 7，原子扩散在材料中的应用 8，什么是上坡扩散，给出两个例子说明金属中的上坡扩散现象。9.简述固溶体合金
北京工业大学 试卷七 2007年攻读硕士学位研究生入学考试试题 考试科目：材料科学基础 适用专业：材料科学与工程 一、名词解释 1．脱溶(二次结晶) 2．空间群 3．位错交割 4．成分过冷 5．奥氏体 6．临界变形量 7．形变织构 8．动态再结晶 9．调幅分解 10．惯习面 二、填空 1．晶体宏观对称要素有 (1) 、 (2) 、 (3) 、 (4) 和 (5) 。 2．NaCl型晶体中Na+离子填充了全部的 (6) 空隙，CsCl晶体中Cs+离子占据的是 (7) 空隙，萤石中F-离子占据了全部的 (8) 空隙。 3．非均匀形核模型中晶核与基底平面的接触角θ=π/2，表明形核功为均匀形核功的 (9) ，θ= (10) 表明不能促进形核。 4．晶态固体中扩散的微观机制有 (11) 、 (12) 、 (13) 和 (14) 。 5．小角度晶界由位错构成，其中对称倾转晶界由 (15) 位错构成，扭转晶界由 (16) 位错构成。 6．发生在固体表面的吸附可分为 (17) 和 (18) 两种类型。 7．固态相变的主要阻力是 (19) 和 (20) 。 三、判断正误 1．对于螺型位错，其柏氏矢量平行于位错线，因此纯螺位错只能是一条直线。 2．由于Cr最外层s轨道只有一个电子，所以它属于碱金属。 3．改变晶向符号产生的晶向与原晶向相反。 4．非共晶成分的合金在非平衡冷却条件下得到100%共晶组织，此共晶组织称伪共晶。 5．单斜晶系α=γ=90°≠β。 6．扩散的决定因素是浓度梯度，原子总是由浓度高的地方向浓度低的地方扩散。 7．再结晶完成后，在不同条件下可能发生正常晶粒长大和异常晶粒长大。 8．根据施密特定律，晶体滑移面平行于拉力轴时最容易产生滑移。 9．晶粒越细小，晶体强度、硬度越高，塑性、韧性越差。
第一章原子结构与结合键 习题 1-1计算下列粒子的德布罗意波长： (1) 质量为10-10 kg，运动速度为0.01 m?s-1的尘埃； (2) 速度为103 m/s的氢原子； (3) 能量为300 eV的自由电子。 1-2怎样理解波函数ψ的物理意义？ 1-3在原子结构中，ψ2和ψ2dτ代表什么？ 1-4写出决定原子轨道的量子数取值规定，并说明其物理意义。 1-5试绘出s、p、d轨道的二维角度分布平面图。 1-6多电子原子中，屏蔽效应和钻穿效应是怎样影响电子的能级的？ 1-7写出下列原子的基态电子组态（括号内为原子序号）： C (6)，P (15)，Cl (17)，Cr (24) 。 1-8 形成离子键有哪些条件？其本质是什么？ 1-9 试述共价键的本质。共价键理论包括哪些理论？各有什么缺点？ 1-10 何谓金属键？金属的性能与金属键关系如何? 1-11 范德华键与氢键有何特点和区别？ 参考答案： 1-1 利用公式λ = h/p = h/mv 、E = hν计算德布罗意波长λ。 1-8 离子键是由电离能很小、易失去电子的金属原子与电子亲合能大的非金属原子相互作用时，产生电子得失而形成的离子固体的结合方式。 1-9 共价键是由相邻原子共有其价电子来获得稳态电子结构的结合方式。共价键理论包括价键理论、分子轨道理论和杂化轨道理论。 1-10 当大量金属原子的价电子脱离所属原子而形成自由电子时，由金属的正离子与自由电子间的静电引力使金属原子结合起来的方式为金属建。 由于存在自由电子，金属具有高导电性和导热性；自由电子能吸收光波能量产生跃迁，表现出有金属光泽、不透明；金属正离子以球星密堆方式组成，晶体原子间可滑动，表现出有延展性。 第二章材料的结构 习题 2-1定义下述术语，并注意它们之间的联系和区别。 晶系，空间群，平移群，空间点阵。 2-2名词解释：晶胞与空间格子的平行六面体，并比较它们的不同点。 2-3 (1) 一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b和6c，求出该晶面的米勒指数。 (2) 一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2和c，求出该晶面指数。 2-4 在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：
名词解释晶格扩散的概念 晶格扩散的概念完全依赖于固体材料的晶体结构，是指在固体晶体中原子、离 子或分子的迁移过程。这种迁移是在晶格点之间进行的，并且在晶体的内部运动。晶格扩散是固体材料领域中一个非常重要的过程，影响着材料的性能和功能。 在晶体中，原子、离子或分子通过与周围原子、离子或分子的相互作用进行扩散。这种相互作用可能是通过热振动、空位和缺陷、原子跳跃等方式发生的。晶格扩散的速度受到多种因素的影响，如温度、晶体结构、晶格点缺陷的存在和其它外部条件。 温度是影响晶格扩散速率的最重要因素之一。随着温度的升高，原子、离子或 分子的热运动增加，使得它们更容易通过晶格点之间的相互作用进行迁移。这样，晶格扩散的速率也会增加。而低温下，热运动减小，扩散变得困难，速率降低。 晶体结构对晶格扩散也起着重要的影响。晶体结构不同，晶格点的排列方式和 空隙分布也会有所不同，从而导致扩散的行为和速率的变化。例如，在不同的晶体结构中，空隙的数量和分布会不同，这将影响到原子、离子或分子通过空隙进行迁移的路径和机制。 晶格点缺陷也会影响晶格扩散。在晶体中，晶格点常常会有缺陷，如点缺陷、 线缺陷和面缺陷等。这些缺陷提供了额外的空间和位置，使得原子、离子或分子更容易通过晶格点的迁移进行扩散。缺陷扩散是晶体材料中晶格扩散的一种重要机制。 除了上述因素，外部条件也会对晶格扩散产生影响。例如，扩散速率可能受到 压力、电场、磁场等外部因素的调控。这些因素能够改变晶体内部的原子、离子或分子的排列和相互作用，从而影响晶格扩散的速率和方向性。 晶格扩散在多个领域中具有重要应用。在材料科学中，了解和控制晶格扩散过 程可以改变材料的性能，如强度、导电性、磁性等。在地球科学中，晶格扩散的研
固体之间的扩散现象例子 固体之间的扩散现象是指固体物质中的分子、原子或离子由高浓度向低浓度方向传播的过程。这种扩散现象在自然界中广泛存在，例如在生物体内的物质交换、固体的热传导和溶质的扩散等。 以下是10个关于固体之间扩散现象的例子： 1. 金属材料的热传导：金属材料中的电子是导热的主要载体，高温区域的电子会向低温区域传导热量，使整个金属体温度均匀。 2. 红外线的传播：固体物体能够将热能以红外线的形式传播出去，这种热能的传播是通过固体分子之间的碰撞和振动实现的。 3. 化学反应中的物质扩散：例如在金属腐蚀过程中，金属表面的氧气会通过固体金属的结构缺陷进入金属内部，进而导致金属的腐蚀。 4. 石墨的导电性：石墨是一种具有良好导电性的固体材料，其导电性是由于石墨层之间的电子扩散引起的。 5. 咖啡中咖啡因的扩散：当我们将咖啡粉倒入开水中时，咖啡因会从固体咖啡粉中扩散到水中，使水变得有咖啡的香味。 6. 气体的吸附：固体材料表面能够吸附气体分子，这种气体分子的吸附是通过固体表面的微小孔隙和凹凸不平的结构实现的。 7. 火山岩中气体的释放：当火山喷发时，火山岩中的气体会从岩石
的孔隙中扩散出来，形成火山喷发的效应。 8. 纸张的润湿性：当我们将水滴滴在纸张上时，水会通过纸张纤维之间的间隙扩散，使纸张变湿。 9. 岩石中的热传导：在地壳深部，岩石的热传导是通过固体岩石中的分子和原子之间的碰撞和扩散实现的。 10. 塑料材料的膨胀：当塑料材料受热时，由于塑料分子之间的扩散，塑料材料会发生膨胀现象。 通过以上例子可以看出，固体之间的扩散现象在日常生活和科学研究中都具有重要作用。通过研究和理解固体之间的扩散现象，可以帮助我们更好地认识物质的性质和行为，进而应用于各个领域的实际问题中。
《材料科学基础》习题及答案 一. 选择题：（共15小题，每小题2分，共30分）。 1. 在非匀质成核时，其临界形核功，当润湿角θ= （ ），现存固体异物（W ）是现成的结晶核心。 A. π/2 B. π C. 0 D. π/3 2. 二元系中有L 1=L 2+γ一种三相平衡反应，请问这是一种（ ）反应。 A. 共析反应 B. 熔晶反应 C. 偏晶反应 D. 包晶反应 3. 高分子材料随温度的变化，通常有玻璃态、高弹态和粘流态三个物理状态。则涂料的施工状态是（ ）。 A. 高弹态 B. 粘流态 C. 玻璃态 D. 高弹态 、粘流态和玻璃态 4. 4s 原子轨道径向分布图中峰数为多少？其钻穿能力比4p （ ）？ A. 3，强 B. 4，强 C. 3，弱 D. 4，弱 5. 在硅酸盐玻璃中增加变性体的量，会使桥氧含量下降，粘度（ ）。 A. 下降 B. 升高 C. 没影响 D. 无法判断 6. 在晶体中形成空位时，离位原子迁移到晶体点阵的间隙中，这样的缺陷称为（ ）。 A. 面缺陷 B. 线缺陷 C. 肖脱基缺陷 D. 弗兰克尔缺陷 7. 在由扩散控制的反应扩散，相宽度变化关系式为；由相界面反应速度控制时，新相厚度与时间呈线性关系。在实际反应扩散过程中，开始阶段扩散过程受（ ）控制。 A. 界面反应速度 B. 扩散 C. 界面反应速度和扩散 D. 无法确定 8. 关于螺型位错应力场，下列说法哪种是正确的（ ）。 A. 应力场是轴对称的 B. 应力场对称于多余的半原子面 C. 滑移面上只有正应力，无切应力 D. 各种应力分量的大小与r 成正比 9. 下列说法不正确的是（ ）。 A. 点缺陷是热力学稳定缺陷 B. 两位错交割必形成一小段曲折位错 4 cos cos 323θθ+-∆=∆*c c G G t B L j =∆dt C K d i υχ=
第七章固体中的扩散 内容提要 扩散是物质内质点运动的基本方式，当温度高于绝对零度时，任何物系内的质点都在作热运动.当物质内有梯度（化学位、浓度、应力梯度等）存在时，由于热运动而导致质点定向迁移即所谓的扩散。因此，扩散是一种传质过程,宏观上表现出物质的定向迁移。在气体和液体中，物质的传递方式除扩散外还可以通过对流等方式进行;在固体中，扩散往往是物质传递的唯一方式。扩散的本质是质点的无规则运动.晶体中缺陷的产生与复合就是一种宏观上无质点定向迁移的无序扩散。晶体结构的主要特征是其原子或离子的规则排列。然而实际晶体中原子或离子的排列总是或多或少地偏离了严格的周期性。在热起伏的过程中，晶体的某些原子或离子由于振动剧烈而脱离格点进入晶格中的间隙位置或晶体表面,同时在晶体内部留下空位。显然，这些处于间隙位置上的原子或原格点上留下来的空位并不会永久固定下来，它们将可以从热涨落的过程中重新获取能量，在晶体结构中不断地改变位置而出现由一处向另一处的无规则迁移运动.在日常生活和生产过程中遇到的大气污染、液体渗漏、氧气罐泄漏等现象，则是有梯度存在情况下，气体在气体介质、液体在固体介质中以及气体在固体介质中的定向迁移即扩散过程.由此可见，扩散现象是普遍存在的。 晶体中原子或离子的扩散是固态传质和反应的基础。无机材料制备和使用中很多重要的物理化学过程,如半导体的掺杂、固溶体的形成、金属材料的涂搪或与陶瓷和玻璃材料的封接、耐火材料的侵蚀等都与扩散密切相关,受到扩散过程的控制.通过扩散的研究可以对这些过程进行定量或半定量的计算以及理论分析。无机材料的高温动力学过程——相变、固相反应、烧结等进行的速度与进程亦取决于扩散进行的快慢。并且，无机材料的很多性质，如导电性、导热性等亦直接取决于微观带电粒子或载流子在外场——电场或温度场作用下的迁移行为。因此，研究扩散现象及扩散动力学规律，不仅可以从理论上了解和分析固体的结构、原子的结合状态以及固态相变的机理；而且可以对无机材料制备、加工及应用中的许多动力学过程进行有效控制，具有重要的理论及实际意义.
固体中原子及分子的运动 一、 填空题 1、菲克第一定律x C D J ∂∂-= 中，J 为 ，D 为 。 2、上坡扩散是指 ，扩散的驱动力是 。 4、扩散系数与扩散激活能和扩散温度的关系表达式是 。 7、上坡扩散是指扩散原子从 向 的扩散，产生上坡扩散的原因是合金系中存在着 。 8、扩散第一定律只适用于 条件，第一定律所表达的基本含义是：在 条件下，只要浓度梯度存在就会有扩散发生，而且扩散通量与浓度梯度成 变化。扩散流动方向是由 浓度向 浓度，此过程中扩散的驱动力是 。 9、固体中原子的扩散必须具备的条件是 。 10、固体质点扩散的推动力是________。 二、判断题 1、一般来说，在相同的温度下在铁中渗碳速度比在铁中渗铬的速度快。 （ ） 2、晶体结构对扩散有一定的影响，在致密度较大的晶体结构中，原子的扩散系数较大。（ ） 3、原子扩散不可能从浓度低的区域向浓度高的区域扩散。 （ ） 4、菲克第一定律适用于稳态扩散，菲克第二定律只适用于非稳态扩散。 （ ） 5、冷变形金属中存在大量的空位、位错等晶体缺陷，这些缺陷阻碍原子的移动，减缓扩散过程。 （ ） 6、晶界上原子排列混乱，不存在空位，所以空位机制扩散的原子在晶界处无法扩散。（ ） 8、渗碳处理常常在钢的奥氏体区域进行，是因为奥氏体的激活能比铁素体的激活能大，相同温度下奥氏体的扩散系数大比铁素体扩散系数大。 （ ） 9、晶体结构对扩散有一定的影响，在致密度较大的晶体结构中，原子的扩散系数较大（ ） 10、扩散温度越高，越有利于扩散进行。 14、通常晶体中原子的扩散激活能越高，其扩散系数越大，扩散速度越快。（） 15、扩散的推动力是浓度梯度，所有扩散系统中，物质都是由高浓度处向低浓度处扩散。（ ） 16、逆扩散的推动力是浓度梯度.（ ） 17、浓度差会引起扩散，扩散总是从高浓度处向低浓度处进行 。（ ） 三、选择题 1、以下关于固体材料中的影响原子扩散的因素叙述中，不正确的是 。 A 、温度是影响扩散速率的最主要因素，温度越高，扩散进行得越快 B 、原子结合键能越大，扩散激活能越高，扩散越快 C 、晶体点阵的致密度越高，扩散系数越小，912︒C 时碳原子在α铁中的扩散系数比在γ铁中的大。 D 、原子沿晶界、表面、位错等晶体缺陷扩散速度较完整的晶体点阵内扩散快。在温度较低时，通常由于在完整晶体点阵内的扩散速度较慢，因此，沿晶体缺陷的短路扩散更为明显。 2、影响扩散系数的变化有多种因素，以下论述中正确的是 。 A 、溶剂原子的熔点越高，原子键结合力大，扩散系数越小 B 、溶质原子在元素周期表中离溶剂原子越近，扩散系数越大 C 、相同温度下，γ-铁的自扩散系数大于α-铁的自扩散系数 D 、温度越高，扩散系数越小 3、固态金属中原子扩散的最快路径是 。
固溶体合金在结晶时溶质和溶剂原子的重新分配和相互扩散 1. 1T 温度时固溶体合金的平衡结晶 a) 形核：由图3.17 可知，假如成分为0C 的合金在温度1T 温度时开始结晶，按照相 平衡关系，此时形成成分为10C K 的固溶体晶核。 b) 浓度梯度的形成：但是由于固相的晶核是在成分为0C 的原液相中形成，因此势 必要将多余的溶质原了通过固液界面向液相中排出，使界面的液相成分达到该温度下的平衡成分1C ，但此吋远离固液界面处的液相成分仍保持原来的成分0C ，这样,在界面的邻近区域即形成了浓度梯度，如图3.18a 所示。 c) 浓度梯度引起的原子扩散：出于浓度梯度的存在，就必然引起液相内溶质B 和 溶剂A 原子的相互扩散，即界面处的B 原子向远离界而的液相内扩散，而远处液 相内的A 原子向界面处扩散，结果使界面处的溶质原子浓度自1C 降至0 C '，如图3-18b 所示 d) 破坏相平衡：但是在1T 温度下，只能存在101C K C L α⇔的相平衡，界面处液相成 分的任何偏离都将破坏这一相平衡关系， 这是不能允许的。 e) 相平衡重新建立：为了保持界而处原来的相平衡关系，只有使界面向液相中移 动，即晶体长大，而晶体长大所出的溶质原子使相界面处的液相浓度恢复到平衡成分1C 如图3-18c ，相界面处相平衡关系的重新建立, f) 过程反复进行直到：又造成液相成分的不均匀，出现浓度梯度，这势必又引起 原子的扩散，破坏相平街，最后导致品体进一步长大， 从而维持原来的相平衡。如此反复，直到液相成分全部变到1C 为止，如图3.18d 所示。 2. 2T 温度时固溶体合金的平衡结晶
第5章 纯金属的凝固 1、金属结晶的必要条件：过冷度-理论结晶温度与实际结晶温度的差；结构起伏-大小不一的近程有序排列的此起彼伏；能量起伏-温度不变时原子的平均能量一定，但原子的热振动能量高低起伏的现象；成分起伏-材料内微区中因原子的热运动引起瞬时偏离熔液的平均成分，出现此起彼伏的现象。 结晶过程：形核和长大过程交替重叠在一起进行 2、过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。从热力学看，没有过冷度结晶就没有趋动力。根据 T R k ∆∝1可知当过冷度T ∆=0时临界晶核半径R * 为无穷大，临界形 核功（2 1 T G ∆∝∆）也为无穷大，无法形核，所以液态金属不能结 晶。晶体的长大也需要过冷度，所以液态金属结晶需要过冷度。 孕育期：过冷至实际结晶温度，晶核并未立即产生，结晶开始前的这段停留时间 3、均匀形核和非均匀形核 均匀形核：以液态金属本身具有的能够稳定存在的晶胚为结晶核心直接成核的过程。 非均匀形核：液态金属原子依附于固态杂质颗粒上形核的方式。 临界晶核半径：ΔG 达到最大值时的晶核半径r *=-2γ/ΔGv 物理意义： r