扩散与相变

对于成分在极小值与拐点之间的合金C 0’，如右图所示：由于G ”(C 0’)>0,自由能-成分曲线上凹，所以一旦出现成分起伏，体系自由能将由分解前的G(C 0’)升高到G 1。

但如果能分解成为成分为C a 的α1和成分为C b 的α2两相，系统自由能G2低于分解前的自由能G(C 0’)。

此时要靠形核方式分解，但是形核要满足成分条件和形核功。

所以过饱和固溶体的分解可以分为调幅分解和形核长大两种方式。

调幅分解时新相和旧相的成分连续变化，母相中溶质原在α中的溶解度如图所示。

A、脱溶系列（如Al-Cu合金）右图为几种不同成分的Al-Cu合金在130℃的时效硬化曲线。

由图可知：（ A ）随着Cu%的↗，时效硬化效果越明显，（ B ）硬度的峰值总是与θ”+θ’并存的组织相对应，一旦θ”消失，硬度将明显下降。

rβ2β扩散一旦发生，亚平衡I被打破，如右图b所示：(2)过饱和固溶体的脱溶③不连续脱溶过饱和固溶体的不连续脱溶也叫两相式脱溶，或者胞状式脱溶。

通常在母相晶界上形核，然后呈胞状向某一相邻晶粒内生长（与珠光体相类似）。

脱溶胞状物与母相有明显界面。

如图所示：不连续沉淀脱溶反应可以写成α’(C 0)→α(C α’)+β(C β) ，其中α’相是成分为C 0的过饱和固溶体；β是的晶体结构和成分都不同于α’的平衡析出相。

胞状脱溶物中的α与母相α’成分不同，但结构相同。

片状共析组织棒状共析组织共析转变指由单一的固态母相分解为两个结构和成分不同的新相的过程。

共析转变的反应式 ：γ→α+β共析转变包括形核与长大两个过程。

但是由于共析转变在固态下进行，原子扩散速度缓慢，所以共析转变的形核与长大如图所示：(3)共析转变①共析转变的形核与长大共析体形核之后，靠原子的短程扩散，导致两相耦合。

原子的扩散主要沿着新旧两相的界面进行。

如右图所示：。

材料的扩散与相变考试参考解答名词解释扩散激活能：在扩散过程中，原子从原始平衡位置跳动迁移到新的平衡位置，所必须越过的能垒值或称所必须增加的最低能量。

空位扩散：和空位相邻的原子比较容易进入空位位置而使其原来占据的位置变为空位，如此不断就可以实现原子迁移。

化学扩散：由于浓度梯度所引起的扩散。

扩散通量：单位时间内通过垂直于X 轴的单位平面的原子数量，单位为mol/cm 2s, 1/cm 2s, g/cm 2s 非均匀形核：新相优先在母相中存在的异质处形核，即依附于液相中的杂质或外表面形核。

反应扩散：由扩散造成的浓度分布以及由合金系统决定的不同相所对应的固溶度势必在扩散过程中产生中间相，这种通过扩散而形成新相的现象称为反应扩散。

惯析面：马氏体总是在母相的特定的晶面上析出，伴随着马氏体相变的切变，一般与此晶面平行，此晶面为基体与马氏体相所共有，称为惯析面。

TTT 图：过冷奥氏体等温转变动力学图，又称C 曲线。

溶质原子贫化区：由于空位的存在，促使溶质原子向晶界迁移的偏聚，辐射或加热时产生大量空位在冷却时向晶界迁移并消失，同时拖着溶质原子运动，溶质原子富集在晶界。

偏聚范围大，在晶界上形成一定宽度偏聚带，达几微米，偏聚带两侧有溶质原子贫化区。

解答题：（27分）1.在一维稳态扩散情况下，试推导出扩散物质的浓度与坐标的分布函数。

稳态扩散：220,0C C CD t t x∂∂∂===∂∂∂ 从而：,C(x)Ax+B Cconst A x∂===∂积分可得 设：得：211211121(),()C C C x C C C x B C A C x x C L C C L L---==⇒=⇒=+-2.将一根Fe-0.4%C-4%Si 合金棒与一根Fe-0.4%C 合金棒焊接在一起，经1015℃×10天扩散退火会产生什么现象？并说明产生这种现象的原因。

见上交材基3.公式2D P α=Γ的物理意义是什么？简述在间隙扩散与空位扩散机制中D 表达式的区别？ D 表示单位梯度下的通量，即为扩散系数，单位为2/cm s 或2/m s 间隙扩散机制中D 的表达式：2**exp()exp()S H D a R RTαν∆∆=- 20*exp()S D a Rαν∆=为频率因子，*S ∆激活熵，*H ∆激活焓 空位扩散机制中D 的表达式：**2exp()exp()v vS S H H D a R RT αν∆+∆∆+∆=- *20exp()vS S D a Rαν∆+∆=频率因子可见，空位机制比间隙机制需要更大的扩散激活能。

金属中的扩散与相变2010硕士10班13.扩散习题课和复习34567891011121314151617例一：有一20钢齿轮气体渗碳，炉温为927℃，炉气氛使工件表面含碳量维持在0.9％C,这时碳在铁中的扩散系数为D＝1.28x10－11m2s-1,试计算为使距表面0.5mm处含碳量达到0.4%C所需要的时间?解：可以用半无限长棒的扩散来解：18例二：上例中处理条件不变，把碳含量达到0.4％C处到表面的距离作为渗层深度，推出渗层深度与处理时间之间的关系，层深达到1.0mm则需多少时间?解：因为处理条件不变在温度相同时，扩散系数也相同，因此渗层深度与处理时间之间的关系：因为x2/x1= 2，所以t2/t1= 4，这时的时间为34268s = 9.52hr1920例1：含0.20%碳的碳钢在927 ℃进行气体渗碳。

假定表面C 含量增加到0.9%，试求距表面0.5mm 处的C 含量达0.4%所需的时间。

已知D 972=1.28 ×10-11m 2/s 解：已知c s ，x ，c 0，D ，c x 代入式得erf （）=0.7143查表得erf （0.8）=0.7421，erf （0.75）=0.7112，用内差法可得β=0.755因此，t=8567s=2.38h21例2：渗碳用钢及渗碳温度同上，求渗碳5h 后距表面0.5mm 处的c 含量。

解：已知c s ，x ，c 0，D ，t 代入式得（0.9% -c x ）/0.7%=erf （0.521）=0.538c x =0.52%与例1比较可以看出，渗碳时间由2.38h 增加到5h ，含0.2%c 的碳钢表面0.5mm 处的c 含量仅由0.4%增加到0.52%。

2324252627考题一．名词解释二．简答题三．计算题四．叙述题28谢谢大家！29。

扩散：热激活的院子通过自身的热震动克服束缚而迁移它处的过程。

超结构：在某些合金“固溶体”中，当缓慢冷却达到一定温度时，原来呈无序分布的溶质原子将变为有序分布，即占据溶剂晶体点阵中一定的位置。

这种固溶体称为有序固溶体，其所形成的晶体点阵称为超结构。

随着超结构的形成，合金的性能发生突变，如硬度增高而电阻、塑性降低等。

自扩散：不依赖于浓度梯度，而仅由热振动而产生的扩散。

互扩散：在置换式固溶体中，两组元互相扩散。

间隙扩散：这是原子扩散的一种机制，对于间隙原子来说，由于其尺寸较小，处于晶格间隙中，在扩散时，间隙原子从一个间隙位置跳到相邻的另一个间隙位置，形成原子的移动。

反应扩散: 伴随有化学反应而形成新相的扩散称为反应扩散。

空位扩散：扩散原子从正常位置跳动到邻近的空位，即通过原子与空位交换位置而实现扩散。

每次跳迁须有空位迁移与之配合。

下坡扩散：组元从高浓度区向低浓度区迁移的扩散的过程称为下坡扩散。

上坡扩散：组元从低浓度区向高浓度区迁移的扩散的过程称为上坡扩散。

稳态扩散：扩散组元的浓度只随距离变化，而不随时间变化。

非稳态扩散: 扩散组元的浓度不仅随距离x 变化，也随时间变化的扩散称为非稳态扩散。

扩散系数：相当于质量浓度为一时，单位时间内的扩散通量。

互扩散系数：在互扩散当中，用来代替两种原子的方向相反的扩散系数D1、D2。

体扩散：物质在晶体内部的迁移过程。

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。

晶界扩散：是指原子沿着晶界渗入晶粒。

扩散退火：生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称做扩散退火。

柯肯达尔效应: 反映了置换原子的扩散机制，两个纯组元构成扩散偶，在扩散的过程中，界面将向扩散速率快的组元一侧移动。

层错能：金属结构在堆垛时，没有严格的按照堆垛顺序，形成堆垛层错，层错是一种晶格缺陷它破坏了晶格的周期完整性，引起能量升高，通常把单位面积层错所增加的能量称为层错能。

材料科学基础名词解释(全)晶体：即内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。

非晶体：原子没有长程的排列，无固定熔点、各向同性等。

晶体结构：指晶体中原子或分子的排列情况，由空间点阵和结构基元构成。

空间点整：指几何点在三维空间作周期性的规则排列所形成的三维阵列，是人为的对晶体结构的抽象。

晶面指数：结晶学中用来表示一组平行晶面的指数。

晶胞：从晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的重复单元。

晶胞参数：晶胞的形状和大小可用六个参数来表示，即晶胞参数。

离子晶体晶格能：1mol离子晶体中的正负离子，由相互远离的气态结合成离子晶体时所释放的能量。

原子半径：从原子核中心到核外电子的几率分布趋向于零的位置间的距离。

配位数：一个原子或离子周围同种原子或异号离子的数目。

极化：离子紧密堆积时，带电荷的离子所产生的电厂必然要对另一个离子的电子云产生吸引或排斥作用，使之发生变形，这种征象称为极化。

同质多晶：化学组成相同的物质在不同的热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。

类质同晶：化学组成相似或相近的物质在相同的热力学条件下形成具有相同结构晶体的现象。

铁电体：指具有自发极化且在外电场作用下具有电滞回线的晶体。

正、反尖晶石：在尖晶石结构中，如果A离子占据四面体空隙，B离子占据八面体空隙，称为正尖晶石。

如果半数的B离子占据四面体空隙，A离子和另外半数的B离子占据八面体空隙则称为反尖晶石。

反萤石结构：正负离子位置刚好与萤石结构中的相反。

压电效应：由于晶体在外力作用下变形，正负电荷中心产生相对位移使晶体总电矩发生变化。

结构缺陷：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为结构缺陷。

空位：指正常结点没有被质点占据，成为空结点。

间隙质点：质点进入正常晶格的间隙位置。

点缺陷：缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，三维方向上的尺寸都很小。

线缺陷：指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷。

面缺陷：是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷。