第七章固体材料的动力学过程1.pptVIP

第七章固体材料的动力学过程：

激活、扩散及相关的材料行为;7.1材料状态改变、过程与激活能;二、亚稳状态与激活能;二、亚稳状态与激活能;二、亚稳状态与激活能;二、亚稳状态与激活能;二、亚稳状态与激活能;7.2玻尔兹曼分布与阿伦尼乌斯定律;三、阿伦尼乌斯(Arrhenius)定律;三、阿伦尼乌斯(Arrhenius)定律;7.3材料中的原子扩散;7.3材料中的原子扩散;2.固态扩散的分类;2.扩散的分类;引起上坡扩散的原因;引起上坡扩散的原因;引起上坡扩散的原因;2.扩散的分类;2.扩散的分类;3.固态扩散的条件;4.扩散定律;稳态扩散与菲克第一定律;非稳态扩散与菲克第二定律;二、扩散机制、扩散激活能与扩散途径;1.扩散机制与激活能;1.扩散机制与激活能;;1.扩散机制与激活能;（1）体(晶内)扩散：扩散物质在晶粒点阵内部迁移。

（2）表面扩散：扩散物质沿着金属表面迁移。

（3）晶界扩散：扩散物质沿着晶界迁移。

（4）位错扩散：扩散物质沿着位错线迁移。;;三、影响扩散的因素;三、影响扩散的因素;2.基体的组织结构;2.基体的组织结构;2.基体的组织结构;三、影响扩散的因素;3.合金元素;3.合金元素;3.合金元素;三、影响扩散的因素;三、影响扩散的因素;7.4离子晶体、共价晶体和聚合物中的扩散与原子运动;特点：扩散激活能高；扩散速度慢；扩散过程复杂；阳离子的扩散系数比阴离子大

扩散机制：空位机制;疏松的晶体结构中，阴离子按间隙机制扩散

影响扩散的缺陷：

(1)本征点缺陷,缺陷数量取决于温度,类似于金属中自扩散。

(2)掺杂点缺陷，来源于价数与溶剂离子不同的杂质离子，类似于金属中间隙杂质的扩散。;二、共价晶体中的扩散

扩散机制：空位机制为主

特点：方向性的键合使共价晶体的自扩散激活能高于熔点相近的金属的激活能(金属的自扩散激活能与熔点的关系为：Q=32Tm)

应用：半导体的掺杂是扩散在工业上的应用;三、高聚物中的扩散

四、非晶体中的扩散;五、高聚物分子链段的运动;柔性好，表示链内旋转的阻力小，旋转容易，构象变化容易；温度越高，分子热运动能量充分，便于内旋转，冷却到一定程度时，内旋转就冻结，内旋转异构体就固定。

??的柔性对高聚物性能的影响：刚性分子链高聚物的强度、硬度和熔点高，弹性韧性差，柔性分子链高聚物相反；外力也可以引起分子构象的转变，引起整个高分子材料在外形上的改变。;2.影响分子链运动及柔性的因素

(1)不同元素组成的大分子链的内旋转特性不同。

(2)主键全部由单键组成时，柔性好，分子链越长，柔顺性越好。

(3)大分子链带有庞大的原子团和支链时，柔性差。

(4)温度、分子链内和链之间的排列情况等。;7.5与扩散有关的几个材料

现象与工程应用;2.晶粒长大

晶粒的长大不是小晶粒相互的粘接，而是晶界移动的结果。

（1）界面能与晶界移动

界面能：凸面晶粒表面A：曲率半径大，自由能高；凹面晶粒表面B：曲率半径小，自由能低;晶界移动：∵凸面界面能凹面界面能

∴晶界向凸面曲率中心移动

则，小于6条边的晶粒缩小(或消失)，大于6条边的晶粒长大。;（2）晶界的移动速率—晶粒的生长取决于晶界的移动速率

晶界长大的推动力：晶界过剩的界面能

小晶粒长成大晶粒，面积↓，界面自由能↓

如：晶粒尺寸由1μm→1cm

相应的能量变化约为0.42-21J/g;;（3）晶粒长大的几何学原则

1）晶界上有界面能的作用；

2）晶粒边界如都具有相同的表面张力，则界面间交成120°，晶粒呈正六边形；实际多晶体系中，界面能不等，晶界具有一定的曲率，表面张力将使晶界移向其曲率中心；

3）在晶界上的第二相夹杂物（杂质或气泡），如不形成液相，则将阻碍晶界移动。

（4）晶粒长大平均速率

晶粒长大的平均速率与晶粒直径成反比。晶粒长大定律为：

dD/dt=K/D;晶粒长大定律为：

dD/dt=K/D;（5）影响晶粒正常长大的因素：

1）温度：退火温度是影响晶粒长大的最主要因素。原子扩散系数D=D0exp(-Q/kT)，显然T越高，D越大，晶界越容易迁移，晶粒越容易粗化。

2）分散相粒子：分散相粒子会阻碍晶界的迁移，降低晶粒长大速率。若分散相粒子为球状，半径为r，体积分数为ψ，晶界表面张力为σ，则晶界与粒子交截时，单位面积晶界上各粒子对晶界移动所施加的总约束力为：

Fmax=3ψσ/2r;Fe-Si(WSi=0.03)合金在800℃加热时，由于合金中分布有细小的MnS颗粒(体积分数为0.01，直径约0.1μm)，