材料固態(tài)相變與擴(kuò)散.doc

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1、.《材料固態(tài)相變與擴(kuò)散》研究生學(xué)位課習(xí)題與參考解答1、解釋下列名詞：自擴(kuò)散：是在純金屬中的原子或固溶體中的溶質(zhì)原子由一個(gè)平衡位置遷移到另一個(gè)平衡位置的單純由熱運(yùn)動(dòng)引起的擴(kuò)散現(xiàn)象?；瘜W(xué)擴(kuò)散：間隙擴(kuò)散：間隙擴(kuò)散是擴(kuò)散原子在點(diǎn)陣的間隙位置之間跳遷而導(dǎo)致的擴(kuò)散。間隙固溶體中溶質(zhì)原子半徑較小，間隙位置數(shù)目較多，易發(fā)生間隙擴(kuò)散。置換擴(kuò)散：置換擴(kuò)散以原子跳動(dòng)到鄰近空位的方式進(jìn)行，因此認(rèn)為置換擴(kuò)散也應(yīng)該是通過(guò)單獨(dú)跳動(dòng)機(jī)制進(jìn)行的。它與間隙擴(kuò)散的區(qū)別在于跳動(dòng)是通過(guò)空位進(jìn)行的，即擴(kuò)散機(jī)制是一種空位擴(kuò)散機(jī)制?；U(kuò)散：是溶質(zhì)原子和溶劑原子同時(shí)存在遷移的擴(kuò)散。嚴(yán)格來(lái)講，大部分合金系統(tǒng)的原子擴(kuò)散都是互擴(kuò)散。晶界擴(kuò)散

2、：熔化的釬料原子沿著母材金屬的結(jié)晶晶界的擴(kuò)散現(xiàn)象。晶界擴(kuò)散所需要的激活能比體擴(kuò)散小，因此，在溫度較低時(shí)，往往只有晶界擴(kuò)散發(fā)生。而且，越是晶界多的金屬，越易于焊接，焊接的機(jī)械強(qiáng)度也就越高。上坡擴(kuò)散：原子擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是化學(xué)位。在一般情況下，總是從濃度高處向濃度低處擴(kuò)散，這叫順擴(kuò)散，但有時(shí)也會(huì)發(fā)生從濃度低處向濃度高處擴(kuò)散的現(xiàn)象，成為逆擴(kuò)散，即上坡擴(kuò)散。2、什么叫原子擴(kuò)散和反應(yīng)擴(kuò)散?原子擴(kuò)散是一種原子在某金屬基體點(diǎn)陣中移動(dòng)的擴(kuò)散。在擴(kuò)散過(guò)程中并不產(chǎn)生新相，也稱(chēng)為固溶體擴(kuò)散。擴(kuò)散物質(zhì)在溶劑中的最大濃度不超過(guò)固溶體在擴(kuò)散溫度下的極限濃度，原子擴(kuò)散有自擴(kuò)散，異擴(kuò)散和互擴(kuò)散三類(lèi)。擴(kuò)散過(guò)程不僅會(huì)導(dǎo)致固溶

3、體的形成和固溶體成分的改變，而且還會(huì)導(dǎo)致相的多形性轉(zhuǎn)變或化合物的形成。這種通過(guò)擴(kuò)散而形成新相的現(xiàn)象稱(chēng)為反應(yīng)擴(kuò)散，也叫相變擴(kuò)散。3、什么叫界面控制和擴(kuò)散控制?試述擴(kuò)散的臺(tái)階機(jī)制?[簡(jiǎn)要解答]生長(zhǎng)速度基本上與原子的擴(kuò)散速率無(wú)關(guān)，這樣的生長(zhǎng)過(guò)程稱(chēng)為界面控制。相的生長(zhǎng)或溶解為原子擴(kuò)散速率所控制的擴(kuò)散過(guò)程稱(chēng)為擴(kuò)散控制。如圖，相和相共格，在DE、FG處，由于是共格關(guān)系，原子不易停留，界面活動(dòng)性低，而在臺(tái)階的端面CD、EF處，缺陷比較多，原子比較容易吸附。因此，相的生長(zhǎng)是界面間接移動(dòng)。隨著CD、EF的向右移動(dòng)，一層又一層，在客觀上也使相的界面向上方推移，從而使相生長(zhǎng)。這就是臺(tái)階生長(zhǎng)機(jī)制，當(dāng)然這種生長(zhǎng)

4、方式要慢得多。圖臺(tái)階生長(zhǎng)機(jī)制..4、擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是什么?什么是擴(kuò)散熱力學(xué)因子?驅(qū)動(dòng)力類(lèi)型主要有化學(xué)自由能，應(yīng)變自由能和界面自由能?；瘜W(xué)自由能是指一個(gè)相沒(méi)有應(yīng)變區(qū)，自由能隨溫度的變化比較大；應(yīng)變自由能是指由短或長(zhǎng)范圍的引起的自由能增量；界面自由能是相界面或晶界處原子的額外自由能。在實(shí)際情況中，有些狀態(tài)是包含了各種自由能，是難以完全分開(kāi)的。自然界事物變化都遵循最小自由能原理，其途徑都遵循最小耗能原理。原子運(yùn)動(dòng)也總是力圖使系統(tǒng)的能量降低，即使暫時(shí)還未具備轉(zhuǎn)變的條件，但轉(zhuǎn)變的潛在趨勢(shì)是存在的。而且也遵循最小耗能原理或最小阻力原理。擴(kuò)散熱力學(xué)因子：5、顯微結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性主要是由哪些因素造成的?顯

5、微組織結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是在一定條件下相對(duì)穩(wěn)定的程度。顯微組織的不穩(wěn)定性需要有激活能和驅(qū)動(dòng)力，這激活能可由熱起伏和能量起伏提供；驅(qū)動(dòng)力的類(lèi)型主要由化學(xué)自由能、應(yīng)變自由能和界面自由能。不穩(wěn)定的因素是隨環(huán)境條件而變化的。例如，晶粒大小事影響組織穩(wěn)定性的因素之一，在室溫時(shí)，晶粒細(xì)小能提高材料性能；而在高溫時(shí)，細(xì)小的晶粒相對(duì)來(lái)說(shuō)是不穩(wěn)定的，會(huì)長(zhǎng)大。6、什么是Gibbs-Thomson效應(yīng)?寫(xiě)出其表達(dá)式。在第二相析出量基本達(dá)到平衡態(tài)后，將發(fā)生第二相的長(zhǎng)大粗化和釋放過(guò)剩界面能的物理過(guò)程，該過(guò)程是由于小質(zhì)點(diǎn)具有較高溶解度引起的。小質(zhì)點(diǎn)的表面積與體積之比較大，相對(duì)來(lái)說(shuō)是不穩(wěn)定的，有溶解的趨勢(shì)，而系統(tǒng)中的大質(zhì)

6、點(diǎn)則會(huì)長(zhǎng)大。描述這個(gè)過(guò)程的是著名的Gibbs-Thomson效應(yīng)，其表達(dá)式為：7、什么是OstwaldRipeningProcess?寫(xiě)出描述其過(guò)程的表達(dá)式，總結(jié)其過(guò)程規(guī)律?當(dāng)母相大致達(dá)到平衡濃度后，析出相以界面能為驅(qū)動(dòng)力緩慢長(zhǎng)大的過(guò)程為奧斯特瓦德熟化過(guò)程（OstwaldRipeningProcess）擴(kuò)散控制的Ostwald長(zhǎng)大規(guī)律的表達(dá)式為：析出粒子的長(zhǎng)大速率隨粒子大小的變化規(guī)律如圖所示，總結(jié)如下：①.當(dāng)r=，dr/dt=0.②當(dāng)質(zhì)點(diǎn)半徑rr時(shí)，這些質(zhì)點(diǎn)都會(huì)溶解，即dr/dt>0.④對(duì)表達(dá)式求極值得到r=2r，所以當(dāng)r=2

7、r時(shí)，dr/dt為極大值，粒子的長(zhǎng)大速率最大。當(dāng)r>2r時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的長(zhǎng)大速率dr/dt逐漸降低。⑤在長(zhǎng)大過(guò)程中，當(dāng)r增大時(shí)，所有析出粒子的長(zhǎng)大速率dr/dt均降低。⑥溫度的影響是比較復(fù)雜的，表達(dá)式中的分子上有擴(kuò)散系數(shù)D，分母上有溫度的直接作用，兩者的作用是相反的。綜合效果往往是溫度提高，可增加粒子的長(zhǎng)大速率。⑦體系過(guò)程剛開(kāi)始時(shí)。r稍大于r的質(zhì)點(diǎn)，它們的長(zhǎng)大速率小于體系中粒子的平均長(zhǎng)大速率，所以這樣的質(zhì)點(diǎn)8、在1127℃某碳?xì)錃怏w被通入到一低碳鋼管