材料科学基础(2024秋)

辽宁工业大学 陈扬 齐义辉

目录

  • 1 材料的结构
    • 1.1 空间点阵与晶体结构
    • 1.2 晶向指数与晶面指数
    • 1.3 晶带与晶面间距
    • 1.4 晶体的极射赤面投影图
    • 1.5 三种典型的金属晶体结构
    • 1.6 晶体的原子堆垛方式和间隙
    • 1.7 离子晶体与共价晶体的结构
    • 1.8 固溶体
    • 1.9 中间相
  • 2 晶体中的缺陷
    • 2.1 点缺陷
    • 2.2 位错的特征
    • 2.3 位错的运动与交割
    • 2.4 位错的应力场与应变能
    • 2.5 作用在位错线上的力与位错间的交互作用力
    • 2.6 位错的生成与增殖
    • 2.7 实际晶体中的位错与位错反应
    • 2.8 小角度晶界和大角度晶界
    • 2.9 孪晶界与相界
  • 3 材料中的扩散
    • 3.1 扩散第一定律
    • 3.2 扩散第二定律及误差解
    • 3.3 扩散机制与柯肯达尔效应
    • 3.4 原子跳跃和扩散系数
    • 3.5 影响扩散的因素
    • 3.6 反应扩散
  • 4 单组元相图及纯金属的结晶
    • 4.1 单组元相图的热力学与相平衡
    • 4.2 液态金属的结构与结晶的热力学条件
    • 4.3 形核
    • 4.4 晶体长大与凝固组织
    • 4.5 凝固理论的应用
  • 5 二元相图及合金的凝固
    • 5.1 匀晶相图与固溶体凝固
    • 5.2 共晶相图及其合金凝固
    • 5.3 包晶相图及其合金凝固
    • 5.4 其他类型的二元相图
    • 5.5 钢的凝固过程及平衡组织
    • 5.6 铸铁的凝固过程及平衡组织
    • 5.7 固溶体的正常凝固
    • 5.8 成分过冷与固溶体的生长形态
    • 5.9 共晶体的形核与生长
    • 5.10 合金铸锭(件)的组织与缺陷
  • 6 晶体的塑性变形
    • 6.1 滑移
    • 6.2 Schmid定律及其应用
    • 6.3 派-纳力
    • 6.4 孪生
    • 6.5 多晶体的塑性变形
    • 6.6 固溶体的塑性变形
    • 6.7 弥散强化
    • 6.8 冷变形金属的组织和性能
  • 7 回复与再结晶
    • 7.1 冷变形金属加热时的组织性能变化
    • 7.2 回复
    • 7.3 再结晶形核机制
    • 7.4 再结晶动力学
    • 7.5 再结晶温度及影响因素
    • 7.6 再结晶后的晶粒尺寸
    • 7.7 正常晶粒长大
    • 7.8 再结晶织构与二次再结晶
  • 8 三元相图
    • 8.1 三元相图基础
    • 8.2 均晶相图
    • 8.3 固态互不溶解的三元共晶相图
    • 8.4 固态有限互溶的三元共晶相图
    • 8.5 三相平衡和四相平衡
扩散第二定律及误差解
  • 1 内容
  • 2 练习
  • 3 案例

1. 扩散第二定律的导出                                                                 
    在垂直于扩散方向x的方向上取一截面积为A、长度为dx的体积元。设流入和流出体积元的通量分别为J1J2,则在dt时间内                                                  
流入量为:j                                                                         
流出量为:j                                              
浓度增加量为:j 即 j                            
所以有:j                                            
将第一定律带入,得 j——扩散第二定律                             
Dc无关,则上式可简化为   j                                  
    上式表明:浓度随时间的变化率与浓度分布曲线的二阶导数成正比。                                 
                                                                                
2. 第一定律和第二定律对扩散过程的描述                                           
    对扩散过程的描述一致:扩散过程使不均匀体系均匀化,有由非平衡逐渐达到平衡,如图所示。                                                                            

                                                                  
            j                                          
                                                 
                            
    扩散第二定律是一个偏微分方程,采用不同的解法可得到适用于不同情况的解。常见的解有误差函数解、高斯解和正弦解。                                                      
3. 误差函数解                                                                        
扩散第二定律的误差解为                                                           
j                                    
    上式即扩散第一定律的误差解的通解,其中j为误差函数,其值可以通过查表求得。误差函数具有如下性质                                          
                                                                                 
j                                                                                   
                                                                                    
    误差解(通解)-适用于扩散物质开始均匀分布在一个大范围的扩散问题,如金属的氧化、脱碳及化学热处理等扩散问题均可用误差解处理。                                       
下面以钢的渗碳为例说明误差解的应用。                                               
    假定渗碳开始后表面奥氏体含碳量立即达到cS并保持恒定,工件心部始终为其原始成分c0,则                                                                              
j初始条件:j                                                        
边界条件:                                                                           
                                                                                       
将边界条件带入误差解,并利用误差函数的性质,则得                                      
j                                                                                       
                                                                                     
j                                                                                      
                                                                                       
                                                                                   
上式描述了表层碳浓度与位置和时间的关系,并可进一步确定深层深度与时间的关系:          
若规定某一浓度cm 对应的深度x为渗层深度,则                                              
j,即j常数,所以                                           
j                                                                              
式中k为常数。上式表明,渗层深度与时间成抛物线关系。