材料的動(dòng)力學(xué)過(guò)程

關(guān)于材料的動(dòng)力學(xué)過(guò)程1第一頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一2

第7章

固體材料的動(dòng)力學(xué)過(guò)程

---激活、擴(kuò)散及相關(guān)材料問(wèn)題7.1材料狀態(tài)改變、過(guò)程與激活能7.2玻爾茲曼分布與阿倫尼烏斯定律及其應(yīng)用7.3金屬材料中的原子擴(kuò)散過(guò)程7.4離子晶體、共價(jià)晶體和聚合物中的擴(kuò)散7.5材料中的動(dòng)力學(xué)Ⅰ7.6材料中的動(dòng)力學(xué)Ⅱ7.7材料中的動(dòng)力學(xué)Ⅲ第二頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一37.1

材料狀態(tài)改變、過(guò)程與激活能

7.1.1狀態(tài)改變與過(guò)程

狀態(tài)Ⅰ狀態(tài)Ⅱ

●

過(guò)程三共性：方向、途徑、結(jié)果方向——自由能降低途徑——阻力最?。せ钅茏畹?

結(jié)果——適者生存

某過(guò)程例1：wc=0.8%的共析碳鋼：

退火（爐冷）——球狀珠光體

正火

(空冷)——片層狀索氏體

淬火

(水冷)——馬氏體例2：

wc=1.1%的過(guò)共析碳鋼：（P+Fe3C).經(jīng)長(zhǎng)時(shí)退火——Fe3C既可球化而降低界面能，也可分解為石墨降低其化學(xué)自由能。第三頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一4

7.1.2

亞穩(wěn)狀態(tài)與激活能

圖7-1:磚的幾種狀態(tài)（a）亞穩(wěn)定（b）不穩(wěn)定（c）穩(wěn)定（平衡狀態(tài)）

推力F較小時(shí),（a）→（a）態(tài)；推力F足夠大時(shí)，（a）態(tài)→（b）激活態(tài)→（c）穩(wěn)態(tài)●特點(diǎn)：

①?gòu)膩喎€(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到穩(wěn)定態(tài)是非自發(fā)的，需要借助于某種推動(dòng)即熱激活過(guò)程。②亞穩(wěn)態(tài)存在的普遍性:提純的金屬;多種材料的實(shí)用組織狀態(tài)均是亞穩(wěn)態(tài)。③亞穩(wěn)態(tài)是由動(dòng)力學(xué)因素所造成的非平衡態(tài)。它是自由能極小值狀態(tài)，不是最小值狀態(tài)。vB(能壘高度)－vA＝Q(激活能)

vA(亞穩(wěn)態(tài))－vC(穩(wěn)態(tài))＝H(反應(yīng)熱

)第四頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一57.2玻爾茲曼分布與阿倫尼烏斯定律及其應(yīng)用途徑一：火車約9小時(shí)途徑二：汽車約7小時(shí)

途徑一：飛機(jī)約1小時(shí)蘭州西安第五頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一67.2.1

反應(yīng)途徑反應(yīng)進(jìn)行的途徑(或過(guò)程進(jìn)行的方式)不只一種，但沿不同途徑所需的激活能各不相同。末位置：（0)

反應(yīng)途徑：Ⅰ:(000)初位置：（000）

（0)Ⅱ:(000)(00)

（0)圖7-3面心立方晶體中

空位遷移的途徑

第六頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一7圖7-4:原子沿P1途徑的勢(shì)能變化圖7-5:原子沿P2途徑的勢(shì)能變化

●不同途徑原子所需勢(shì)能對(duì)比——第七頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一8

7.2.2原子、分子的熱能分布與玻爾茲曼定律●在一定溫度（T）下材料內(nèi)原子熱運(yùn)動(dòng)平均能量為

3/2（KT）,或3/2（RT）（1mol原子）●每原子的能量并不完全相同，遵循玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布：具有能量為E～E+dE內(nèi)的原子數(shù)目——dN=A·exp(－E/KT)dE則原子總數(shù)：

NT=∫0∞A·exp(－E/KT)dE=AKT,

A=NT

/KT能量大于某值q的原子數(shù)目:N=∫q∞A·exp(－E/KT)dE=NT·exp(－q/KT),

N/NT=exp(－q/KT)

圖7-6麥克斯韋-玻爾茲曼分布第八頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一9

7.2.3

阿倫尼烏斯定律

由于能克服某過(guò)程能壘進(jìn)行反應(yīng)的原子比例為exp(-Q/KT)(Q為激活能)，故反應(yīng)速度正比于此原子比例：

V=A·exp(－Q/KT)

或V=A·exp(－Q/RT)

Arrhenius定律

R=N0·K取對(duì)數(shù)：

lnV=lnA－Q/RT=常數(shù)－Q/R（1/T）圖7-7lnV與1/T的關(guān)系lnV=lnA－(Q/R).1/Tln(或lg)V與1/T呈線性關(guān)系，對(duì)數(shù)坐標(biāo)作圖由V、T可求Q?！裼绊慥（反應(yīng)速度）的二要素：Q與T①多個(gè)過(guò)程競(jìng)爭(zhēng)時(shí)。Q小的過(guò)程V

最大，

——捷足先登

；②過(guò)程的T——V

第九頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一102Cx2=DCtxCx(D)Jx＝－＝●FickⅡ律結(jié)合具體情況，可有多種形式的解，給出C=f（x,t）關(guān)系式,從而工程應(yīng)用（P201）。

7.3金屬材料中的原子擴(kuò)散過(guò)程7.3.1擴(kuò)散現(xiàn)象與規(guī)律(1)擴(kuò)散現(xiàn)象濃度梯度與擴(kuò)散，下坡擴(kuò)散與上坡擴(kuò)散，自擴(kuò)散與互擴(kuò)散。(2)菲克定律●穩(wěn)定擴(kuò)散（濃度c不隨時(shí)間t而變）用FickI

律,特點(diǎn):無(wú)物質(zhì)積累擴(kuò)散通量:J∝CXJ=－DCX●非穩(wěn)定擴(kuò)散用FickⅡ律,存在物質(zhì)積累,引起濃度C隨時(shí)間的變化：第十頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一11主要擴(kuò)散機(jī)制：空位機(jī)制與間隙機(jī)制空位擴(kuò)散間隙擴(kuò)散填隙子擴(kuò)散環(huán)狀擴(kuò)散7.3.2擴(kuò)散機(jī)制、擴(kuò)散激活能與擴(kuò)散途徑圖7-9材料中的擴(kuò)散機(jī)制

第十一頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一12

擴(kuò)散激活能:

QV>QI

空位機(jī)制：空位形成能+跳動(dòng)激活能間隙機(jī)制：跳動(dòng)激活能圖7-10擴(kuò)散的原子彼此擠壓，需要高能量的激活能Q，一般置換原子所需能量比間隙原子的大第十二頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一13體擴(kuò)散（晶格擴(kuò)散):Q大，主要的。短路擴(kuò)散（晶界，位錯(cuò)和表面擴(kuò)散):Q小，占比例小，高低溫下作用大。

●擴(kuò)散途徑:7.3.3

影響因素：Q與T

D=D0exp(-Q/RT)

Arrhenius關(guān)系QDTD,

擴(kuò)散速度第十三頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一147.4

離子晶體，共價(jià)晶體和聚合物中的擴(kuò)散7.4.1

離子晶體與共價(jià)晶體中原子的擴(kuò)散特點(diǎn)：①擴(kuò)散離子只能進(jìn)入同等位置,保持電中性。②Q大（來(lái)自大的靜電引力），D小。③DMe+>DMe-。(1)離子晶體(2)共價(jià)晶體特點(diǎn)：①雖原子排列疏松（致密度低），由于強(qiáng)大方向鍵，擴(kuò)散緩慢；②典型應(yīng)用：半導(dǎo)體摻雜（p205）。圖7-11離子化合物中的擴(kuò)散。陽(yáng)離子只能進(jìn)入其它陽(yáng)離子位置第十四頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一15

7.4.2

高聚物與非晶體中的擴(kuò)散

高聚物中擴(kuò)散的特點(diǎn)：①大分子鏈尺寸太大，擴(kuò)散緩慢（鏈內(nèi)的單個(gè)原子由于共價(jià)結(jié)合，不可能單獨(dú)移動(dòng)）；②高聚物自擴(kuò)散的主要形式是分子鏈段運(yùn)動(dòng)。

③工程上重要地是外來(lái)原子或分子的擴(kuò)散：滲透或吸收。吸收：較小分子進(jìn)入聚合物的某個(gè)位置并保留下來(lái)，例染料。

滲透：較小分子擴(kuò)散通過(guò)聚合物，例膜片對(duì)于海水的選擇性通過(guò)（海水淡化）等。

非晶體中擴(kuò)散的特點(diǎn)（例硅酸鹽非晶態(tài)）：

①Si、O原子間強(qiáng)結(jié)合，原子擴(kuò)散困難;移動(dòng)的是Si-O四面體單元，故擴(kuò)散緩慢。

②小原子（H、He等）易通過(guò)非晶體的疏松區(qū)—玻璃在高真空應(yīng)用的局限性。

第十五頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一16

7.５材料中的動(dòng)力學(xué)Ⅰ：擴(kuò)散與材料行為

７.５.１

晶體長(zhǎng)大與擴(kuò)散現(xiàn)象:Ｔ↑,細(xì)小晶粒→較粗大晶粒，大晶粒吞并小晶粒，凹面變平。為自發(fā)過(guò)程。機(jī)理：晶界附近原子跨越晶界運(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散）→界面遷移→平均晶粒尺寸增大。定量關(guān)系(恒溫)：d=(kt)n

某T時(shí)，組織中障礙（粒子尺寸r、體積分?jǐn)?shù)f）阻礙晶粒長(zhǎng)大：

R=d/2=4r/3f圖7-12:原子從一晶粒穿過(guò)晶界向另一晶粒擴(kuò)散時(shí)，即發(fā)生晶粒長(zhǎng)大。第十六頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一177.5.2

擴(kuò)散焊用途：用于稀有合金（Ti合金等）、異種金屬陶瓷材料等。

三步驟：高溫加壓、塑變貼合（壓平，尚有部分孔洞）

→原子界面擴(kuò)散(明顯快于晶內(nèi)的體積擴(kuò)散),孔洞尺寸↓,并被基體包圍→體擴(kuò)散、孔洞消失(接頭完全焊合)。圖7-13:擴(kuò)散焊步驟（a）開(kāi)始時(shí)接觸面很小；（b）加壓使表面變形，增加了連接面；（c）晶界擴(kuò)散使空洞縮小；（d）空洞的最終消除需要通過(guò)體積擴(kuò)散。第十七頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一187.5.3

粉末冶金與燒結(jié)

用途：粉末冶金制品，陶瓷制備

步驟：微粒（粉末）→機(jī)械變形（模壓）或粘結(jié)→坯→高溫長(zhǎng)時(shí)間（原子擴(kuò)散及某些反應(yīng)）燒結(jié)→密實(shí)化制品。圖7-14:燒結(jié)和粉末冶金過(guò)程中的擴(kuò)散過(guò)程

原子向接觸點(diǎn)擴(kuò)散，產(chǎn)生橋結(jié)并最終填滿孔隙。第十八頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一19因素：粉末越細(xì)、溫度越高、燒結(jié)速度越快。致密化速率：7.5.4蠕變與擴(kuò)散（creep）（課后自行閱讀和總結(jié)）7.5.5

材料的氧化（oxidation）（自學(xué)）dρ/dT=（c/an）·exp（－Q/RT）a--顆粒尺寸，c、n為常數(shù)，Q

為激活能

第十九頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一207.6

材料中的動(dòng)力學(xué)Ⅱ:材料相變動(dòng)力學(xué)特征

相變的實(shí)用意義：與材料制備、材料加工處理及性能改善等密切相關(guān)。7.6.1

相變的一般機(jī)制與特點(diǎn)

化學(xué)成分改變，結(jié)構(gòu)改變，表面能數(shù)量變化，晶界能數(shù)量改變應(yīng)變能數(shù)量的改變。相變機(jī)制：形核+長(zhǎng)大轉(zhuǎn)變完成圖7-15α-β界面附近的自由能變化Q=△G＊（β→α）為能壘、激活能，△G=Gβ－Gα為反應(yīng)熱/驅(qū)動(dòng)力相變（轉(zhuǎn)變）是材料狀態(tài)的變化：第二十頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一21

相變條件：△T—相變滯后，對(duì)應(yīng)的△G即相變驅(qū)動(dòng)力。①△G＜0②原子擴(kuò)散、移動(dòng)、調(diào)整位置。

固態(tài)相變特點(diǎn)（自學(xué)P212）

生核方式：均勻（自發(fā)）形核和不均勻(非自發(fā))形核；二者競(jìng)爭(zhēng)，常非自發(fā)形核。7.6.2

固態(tài)相變（轉(zhuǎn)變）的主要類型與特征●晶粒長(zhǎng)大：驅(qū)動(dòng)力為晶界能↓，不形核，晶體結(jié)構(gòu)不變，原子擴(kuò)散距離≤1nm。●再結(jié)晶：驅(qū)動(dòng)力為應(yīng)變能↓，形核，生成無(wú)畸變晶粒，原子局部重排≤1nm。●多晶型轉(zhuǎn)變：驅(qū)動(dòng)力為新、舊相自由能差，生成結(jié)構(gòu)不同的新相,原子局部重排≤1nm。第二十一頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一22圖7-17等溫析出（90Pb-10Sn）圖7-16固溶處理和析出固溶與析出：驅(qū)動(dòng)力為新、舊相自由能差，有新相、有成分變化，需原子大量擴(kuò)散＞＞1nm。

αα′+β●第二十二頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一23●共析轉(zhuǎn)變：驅(qū)動(dòng)力為體積自由能差，兩個(gè)新相，大量（長(zhǎng)程）擴(kuò)散＞＞1nm。鋼中，A（奧氏體）→F+Fe3C（珠光體）以上共性：擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，多獲得平衡組織結(jié)構(gòu)。若條件不充分，尤其快冷時(shí)，會(huì)得到各種非平衡組織，甚至籍無(wú)擴(kuò)散方式轉(zhuǎn)變。圖7-18珠光體的形成圖7-19退火后的鐵碳合金（α＋滲碳體）和馬氏體的硬度與含碳量的關(guān)系曲線第二十三頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一24特點(diǎn)：無(wú)擴(kuò)散（＜＜1nm），由剪切切變產(chǎn)生晶型變化（鋼從面心立方→體心四方），屬非穩(wěn)定相。一定條件下（T，t）即向穩(wěn)定相過(guò)渡（回火過(guò)程）：慢冷A（fcc）

快冷M（bct）硬而脆＜A1（727℃）F（bcc）+Fe3C回火（T，t），使脆性↓↓●馬氏體轉(zhuǎn)變與回火（Mtransformationandtempering

）第二十四頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一257.6.3

轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)曲線與C曲線（1）轉(zhuǎn)變速率與動(dòng)力學(xué)曲線轉(zhuǎn)變速率（R）取決于生成速率（N）與長(zhǎng)大速率（G）：.R=f（N，G）..

影響轉(zhuǎn)變速率的二因素：①△GV（驅(qū)動(dòng)力）→使新相持續(xù)形成的必要條件（熱力學(xué)條件）；②原子活動(dòng)性→使原子長(zhǎng)程、短程遷移成為可能（動(dòng)力學(xué)條件）。..

轉(zhuǎn)變溫度（T）的重要影響：T高時(shí)-△GV小，但擴(kuò)散能力強(qiáng)，控制因素是△GVT低時(shí),△GV大，但擴(kuò)散能力弱，控制因素是D（2）多晶體的形成

液→固:過(guò)冷液體→形核（小晶體）→三維長(zhǎng)大→等軸多晶體。若方向性散熱（如沿模壁）→方向性組織（柱狀晶）；若兩個(gè)相同時(shí)析出，交替長(zhǎng)大→片層狀或其他復(fù)雜形狀（如共晶萊氏體）

→形成C形曲線

（見(jiàn)次頁(yè)圖）

第二十五頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一26圖7-20△gv和D與轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系圖7-23擴(kuò)散型相變的等溫轉(zhuǎn)變曲線圖7-21界面遷移率與溫度的關(guān)系圖7-22轉(zhuǎn)變速率與溫度的關(guān)系第二十六頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期一27

固→固轉(zhuǎn)變：□若完全轉(zhuǎn)變形成單相（αγ）易呈等軸晶；□若形成雙相（A→F+Fe3C）易呈片層狀組織。□若部分轉(zhuǎn)變（α=α′+β），晶界析出和向晶內(nèi)