材料科学基础总结.doc

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1、1.空间点阵:代表晶体中原子、原子团或分子分布规律(周期性)的几何点的集合.三维空间点阵即在三维空间内表示原子或原子集团排列规律的几何点所构成的阵列.2.晶体结构:把晶体中原子的集合(或分布)称为晶体结构.3.复式点阵:有时人们把实际晶体结构也看在是一个点阵,但不是单一的布拉维点阵,而是由几个布位维点阵穿插成的复杂点阵.4.结构胞:反映点阵对称性的晶胞.即在反映对称性的前提下选取体积最小的晶胞.5.原胞:只要求晶胞的体积最小,而不一定反映点阵的对称性.5.晶胞:反映晶格特征的小的平行六面体.6.晶面:穿过晶体的原子面(平面).晶向:连接晶体中任意原子列的直线方向.7.晶面族:晶体中,往往存在一

2、些位向不同,但原子排列情况完全相同的晶面,这些在晶体学上等价的晶面构晶面族.8.晶向族:原子排列相同,空间位向不同的所有晶向,即在晶体学上等价的晶向.9.配位数:一个原子最近邻的原子数.10.晶带:相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成晶带.此直线叫晶带轴.11.主量子数n是决定能量的主要参数,n=1，2，。轨道角量子数l决定轨道角动量大小,l=0，1，2，(n-1)。轨道磁量子数m决定轨道角动量在外磁方向的投影值,m=0，+-1，+-2，+-l。自旋磁量子数mS决定了自旋角动量在外磁方向的投影值, mS=+-1/2。12.简并：在没有外场的情形下，能量是与轨道磁量子数无关的，这样，n,l

3、,和mS相同而m不同的状态将具有相同的能量，我们把不同状态对应着相同能量的现象称为简并。13.短周期：包括第、周期，其特点是所有元素的电子态均为s或p态（称为sp元素）。14.长周期：包括第周期，特点是不仅包含sp态，还包含d或f态元素，即电子填充在d或f轨道。15.凡是外层电子填充在d轨道的元素都称为过渡族元素。16.凡是外层电子填充在4f轨道上的元素称为镧系元素。17.凡是外层电子填充在5f轨道上的元素称为锕系元素。18.次次壳层：是指主量子数n和角量子数l都相同的壳层，19.洪特规则hund：即n和l都相同的电子力图占据自旋相同的次次壳层，或者说尽可能保持自旋不成对。（如果两个电子的mS

4、分别为1/2和-1/2，则说他们是自旋成对的）20.电离能（电离电位）：将原子的外层电子击出所需的最小能量。21.结合键：是指原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。21.价带：由价电子的原子能级展宽而成的带。22.导带：由价电子能级以上的空能级展宽而成的带。23.禁带：两个分开能带之间的能量间隔Eg。24.费米能级：在外电场作用下最高的被填充能级。25.晶体的结合能（内聚能）：由中性原子结合成晶体所释放的能量或将晶体拆散成中性原子所消耗的能量。26.8N规则：周期表中A、A、A元素大多为共价结合，每个原子具有8N个近邻的原子，即配位数为8N ，N为族数。此规则是原子为通过共价键达到八个电子

5、层结构的必然结果27.压缩系数：单位压强引起的相对体积变化。热膨胀系数：单位温度变化引起的相对长度变化。28.合金：由金属和其它一种或多种元素通过化学键合而成的具有金属特性的材料。含量不同（成分不同）的各种合金形成一个合金系列。29.相（合金相）：是合金中结构相同，成分和性能均一，并以界面相分开，是合金组织的基本组成部分。30.组织：在一定的外界条件下，一定成分的合金可以由若干不同的相组成，这些相的总体称为合金的组织。31.固溶体：合金的组元之间以不同的比例混合，混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同，这种相就称为固溶体。此组元称为溶剂，另一组元即为溶质。（溶质原子完全溶于固态溶

6、剂中，并能保持溶剂元素的晶格类型所成的合金相）32.置换固溶体：溶质原子代替部分溶剂原子而形成的固溶体。溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体。33.间隙固溶体：溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是填入溶剂原子间的一些间隙中。34.固溶度：溶质在固溶体中的（溶剂中的）最大含量（极限溶解度）。35.化合物：由两种或多种组元按一定比例（一定的成分）构成一个新的点阵，它即不是溶剂的点阵，也不是溶质的点阵。金属间化合物（中间相）：合金组元间发生相互作用而形成的一种新相。36.Darken-Gurry图：Darken-Gurry提出了用作图法预计某溶质组元在给定的溶剂组元中的固溶度。2

7、7.Vegard定律：当两种同晶型的盐（如KCl-KBr）形成连续固溶体时，固溶体的点阵常数与成分成直线总关系。即点阵常数正比于任一组元的浓度。28固溶强化：固溶体的强度和硬度往往高于各组元，而塑性较低。29.有序强化：对于某些具有无序有序转化的中间固溶体来说，有序状态的强度高于无序的强度。30.价化合物：符合原子价规则的化合物，正负离子之通过电子的转移和（或）电子的共用而形成稳定的8电子组态的化合物。按照价电子是否都是键合电子，价化合物又分为正常价化合物和一般价化合物。可以认为：正常价的金属间化合物包括除金属卤化物和氧化物以外的一切离子化合物。32.电子相：具有一定的电子浓度值而结构相同或密

8、切相关的相。33.尺寸因素化合物：其晶体结构主要取决于组元原子的半径比的一些金属间化合物。分为密排相（金属与金属形成）和间隙相（金属与非金属形成）34.几何密排相：由密排原子面按一定次序堆垛而成的结构。35.拓扑密排相：由密排四面体按一定的次序堆垛而形成的结构。分为Laves相、相和Cr3Si(A15)相。36. Kasper配位多面体：以给定原子为中心，以其最近邻原子为顶点的多面体。37.间隙化合物（间隙相）：由原子半径大的过渡金属元素和原子半径小的准金属元素H,B,C,N,Si等形成的金属间化合物。1.常见晶体的几何参数（手工补充）2.常见的晶体结构(1)体心立方:BCC,碱金属,难熔金属

9、(V Cr Mo W Nb),a-Fe等.(2)面心立方:FCC,Al 贵金属 Cu Ni Pb Pd Pt -Fe等.(3)密排六方:HCP,a-Be(c/a约=1.57)a-Ti a-Zr a-Hf(c/a约为1.59)a-Co及Mg(c/a=1.62),Zn(c/a=1.86)Cd(c/a=1.89)等.3.FCC晶体(其间隙是对称性的)(1)八面体间隙:4个,位于每条棱中心及其体心处,间隙半径和原子半径比为0.414,间隙半径大小为:0.146a(2)四面体间隙:8个,位于体对角线的两端的四分之一距离处.间隙半径和原子半径比为0.225.间隙半径大小:0.06a4.BCC晶体(间隙非对

10、称性)(1)八面体间隙:6个,位于各个面心及其棱中点处.间隙半径和原子半径比为0.155,间隙半径为:0.067a(2)四面体间隙:12个,每个面有4个.间隙半径和原子半径比为:0.291,间隙半径为:0.126a5.HCP晶体(和面心立方相同)(1)八面体间隙:6个,间隙半径和原子半径比为:0.414(2)四面体间隙:12个,间隙半径和原子半径比为:0.2256.没有外场的情形下各元素原子中核外电子的分布原则：能量最低原则，即各电子应占据能量最低的状态。泡利不相容原理，即在一个原子中，不允许两个电子的4个量子数都分别相等，也即由4个具体的量子数确定的状态只能被一个电子占据。或者说每一个状态只

11、能容纳两个自旋相反的电子。洪特（hund）规则，即在主量子数和角量子数相同的轨道上排布的电子，将尽可能占据磁量子数不同的轨道，且自旋平行。7.原子稳定性结论：中性原子的电离电位最低。（1s）2是比较稳定的状态。在其它因素相同的情况下，核电荷数越大的元素，其同级电离电位也越高。次外层电子对外层电子有屏蔽作用，即减弱核对外层电子的库伦力，从而使后者的电离电位减小。总之，衡量原子稳定性的电离电位取决于三个因素：（1s）2的稳定性、核电荷的大小、屏蔽效应。8.结合键种类及其特点离子键（极性键）：正负离子通过静电引力（库仑引力）而结合成。特性：具有方向性、饱和性。共价键：相邻原子通过共用电子对结合而成，

12、使各个原子的外电子层都形成稳定的八电子层结构。性质：熔点高、硬度高、质脆，没有方向性、无饱和性。金属键：由价电子集体（自由电子气）和金属正离子间的静电引力结合而成。分子键（范德瓦尔斯力）：相邻原子的瞬时感应电场的交互作用而使原子间产生了静电引力。氢键：分子是极性共价键结合而成，共用电子对远离氢原子，氢原子除去一个共价电子外就剩下一个没有任何核外电子作屏蔽的原子核，于是这个没有屏蔽的氢原子就对相邻分子中的另一原子外层未共价电子有较强的静电引力。这个引力就是氢键。9.导体的特点：外电场能改变价电子的速度分布和能量分布，造成电子的定向移动。一种情形是固体中价电子浓度比较低，没有填满价带。另一种导电情

13、形是价带和导带交叠，因而在外电场下，电子能填入导带。10.绝缘体的特点：价带和导带间存在较大的能隙Eg，而价带又被电子填满，因而通常情形下外电场不能改变电子的速度和能量分布。11.半导体：半导体的能带结构和绝缘体类似，即价带被电子填满，它与导带间有一定的能隙Eg，但比较Eg小（一般小于2eV）。12.半导体的三种情形：（1）Eg非常小，热激活能就足以使价带中费米能级以上的电子跃迁到导带底部，同时在价带中留下“电子空穴”。于是，在外电场作用下，导带中的电子和价带中的电子空穴都可以向相邻的能级迁移，从而改变电子的速度和能量分布。这样的半导体称为本征半导体。（2）Eg比较小，在能隙中存在着由高价杂质

14、元素产生的新能级。热激活足以使电子从杂质能级跃迁到导带底部。于是在外电场作用下，通过导带中的电子的迁移而导电。这样的半导体称为N型半导体。（3）Eg比较小，在能隙中存在着低价杂质元素产生的新能级。热激活足以使费米能级以上的电子跃迁到杂质能级，从而在价带中留下电子空穴。于是在外电场作用下，通过价带中的电子空穴的迁移也产生电流。由于电子空穴的行为类似于带正电荷的粒子，故这类半导体称为P型半导体。13.注意：As砷，Sb锑，Bi为第A族元素，具有菱形的层状结构，配位数为3，层内共价结合，层间带有金属键。A元素硒Se、碲Te菱方晶系，呈螺旋分布的链状结构，配位数为2，链本身共价结合，链与链之间为范德瓦

15、尔斯键。A族元素I配位数1，分子间结合键是分子键。14.影响合金相结构的主要因素原子半径或离子半径负电性：表示它在和其它元素形成化合物或固溶体时吸引电子的能力的一个参数。价电子浓度：合金中每个原子平均的价电子数。其它因素：如对离子和共价晶体：电荷半径比之和。15.固溶体三个基本特征溶质和溶剂原子占据一个共同的布拉菲点阵，且此点阵类型和溶剂点阵类型相同。有一定的成分范围，也就是说组元的含量可在一定范围内改变而不会导致固溶体点阵类型的改变。某组元在固溶体中的最大含量例称为该组元在该固溶体中的固溶度。具有比较明显的金属性质。16.固溶体分类根据固溶体在相图中的位置端部固溶体，也称为初级固溶体。中间固

16、溶体，也称为二次固溶体。成分不一定的范围，但并不具有任一组元的结构。二次固溶体又叫中间相。也可以看成是以化合物为基的固溶体。如黄铜看成是金属间化合物CuZn为基的固溶体。根据溶质原子中点阵中的位置置换式固溶体，其溶质原子位于溶剂原子点阵的结点上，置换了部分溶剂原子。间隙式固溶体，溶质原子位于溶剂原子间隙中。根据固溶度有限固溶体，溶质在固溶体的浓度有一定的限度无限固溶体，溶质能以任意比例溶入溶剂，无限固溶体只能是置换固溶体。根据各组元分布的规律性无序固溶体，各组元原子的分布是随机的有序固溶体，各组元原子分别占据各自的布拉菲点阵分点阵，整个固溶体就是由各组元的分点阵组成的复杂点阵又叫超点阵或超结构

17、。（溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布）17.Hume-Rothery规则（置换式固溶体固溶度）如果形成合金的元素的原子半径之差超过1415，则固溶度极为有限。如果合金组元的负电性相差很大，固溶度就较小。（负电价效应）两个给定元素的相互的固溶度是与它们各自的原子价有关的，且高价元素在低价元素中的固溶度大于低价元素在高价元素中的固溶度。（相对价效应）如果用价电子浓度表示合金的成分，那么BB族元素在B族溶剂元素中的固溶度都相同约为e/a=1.36，而与具体的元素种类无关。两组元形成无限固溶体的必要条件是它们具有相同的晶体结构。18.（金属学解释）影响置换固溶体固溶度的因素

18、原子尺寸、负电性、电子浓度和晶体结构。原子尺寸因素组元间原子半径越相近，即r越小，则固溶体的固溶度就越大，r越大时，则固溶体的固溶度越小。有利于大量固溶的原子尺寸是r不超过1415，即溶质和溶剂原子的半径比r溶质/r溶剂在0.851.15之间。铁基固溶体只有r小于8晶体结构相同，才有可能形成无限固溶体；铜基，只有r小于1011时，才有可能形成无限固溶体。（原因：原子半径相差越大，晶格畸变能越高，晶格不稳定，溶质原子越多，畸变能也越高，直达到不能维持，即达到了固溶度极限。）负电性因素溶质原子与溶剂原子的负电性相差很大，即两者间化学亲合力很大，它们往往形成比较稳定的金属化合物，即使形成固溶体，其固

19、溶度也较小。电子浓度因素溶质在溶剂在的溶解度受电子浓度的控制，固溶体电子浓度有一个极限值，超过此极限值，固溶体就不稳定。晶体结构因素溶质与溶剂的晶体结构类型是相同是它们能形成无限固溶体的必要条件。19.间隙固溶体影响因素只有当溶质与溶剂的原子半径比值为r溶质/r溶剂0.59时，才有可能形成间隙固溶体。间隙固溶体的固溶度与溶质原子的大小有半，也与溶剂的晶格类型有关。20. 间隙固溶体只能是有限固溶体的原因溶剂晶格中间隙位置是有一定限度的。21.间隙固溶体和置换固溶体强化效果比较间隙式溶质原子的强化效果一般要比转换式溶质原子列显著。这是因为间隙式溶质原子往往择优分布位错线上，形成间隙原子“气团”，

20、将位错牢牢地钉扎住，从而造成强化。相反转换原子往往均匀分布在点阵内，虽然由于溶质和溶剂原子尺寸不同，造成点阵畸变，从而增加位错运动的阻力，但这种阻力比间隙原子气团的钉扎力小的多，因而强化效果也小。22.Pauling规则（离子化合物结构）在正离子周围形成一负离子配位多面体，正负离子之间的距离取决于离子半径之和，而配位数则取决于正负离子半径之比。形成一个离子键时正离子给出的价电子数应等于负离子得到的价电子数，因此有Z+/CN+=Z-/CN-在一个配位结构中，当配位多面体共用棱，特别是共用面时，其稳定性会降低，而且正离子的电价越高、配位数越低，则上述效应越显著。在含有一种以上的正离子的晶体中，电价

21、大、配位数小的正离子周围的负离子配位多面体力图共顶连接。晶体中配位多面体的类型力图最少。23.典型离子化合物晶体结构AB型化合物结构NaCl型结构（岩盐结构）:面心立方点阵，Cl-占结点，Na+位于八面体间隙。CsCl型结构:具有简单立方的布拉菲点阵，一种离子点晶胞结点，另一种离子占体心。闪锌矿（立方ZnS）结构:面心立方，负离子占结点，正离子占不相邻的四面体间隙。纤锌矿（六方ZnS）结构:简单六方点阵，负离子占结点，正离子位于5个四面体间隙。AB2型化合物结构萤石（CaF2）结构：面心立方，小正离子占结点，大负离子占四面体间隙。金结石结构：TiO2简单正方点阵，电容器材料，俗称钛白粉。A2B

22、3型结构刚玉（Al2O3）具有简单六方点阵。ABO3型结构钙钛矿型结构（CaTiO3）简单立方点阵。AB2O4型结构尖晶石，结构特点是：O-2离子为立方密排，A和B离子则填充在O2离子间隙中。典型尖晶石有MgAl2O4。24.氧化物结构的一般规律氧离子密排。大多数简单的氧化物结构中氧离子排成面心立方、密排六方或近似密排的简单立方，而正离子则位于八面体间隙、四面体间隙或简单立方的体心。25.金属间化合物分类由负电性决定的原子价化合物（价化合物）由电子浓度决定的电子化合物原子尺寸决定的尺寸因素化合物。26.正常价化合物的形成规则（Hume-Rothery指出）（1）所有金属一般都倾向于与B、B、B

23、族元素形成正常价化合物。（2）金属的正电性越强或B族元素的负电性越强，上述倾向性就越大，而且化合物也越稳定。27.电子相的特点除贵金属外，铁族元素也和某些B族元素形成电子相。价电子浓度为3/2的电子相有三种可能的结构，即BCC结构（相）、复杂立方的Mn结构（相）和密排六方结构（相）大多数典型的电子相都出现较宽的浓度范围内。电子相的主要结合键是金属键，具有明显的金属特性。28.密排相原子排列遵从原则空间填充原则，原子应尽可能致密地填满空间。即应具有尽可能高的配位数对称原则：晶体中原子的排列应形成高对称的结构。连接原则：具有密排结构的晶体中往往形成三维栅状连接。29.密排方式：几何密排（形成几何密

24、排相GCP）和拓扑密排（形成拓扑密排相TCP）。30.AB2型Laves相的特点1）结构：可以看成由B原子密排四面体堆垛而成，A原子位于B原子四面体之间。2）密排：最近邻的同类原子是相接触的，但异类原子不接触。3）高配位数：CN(A)=4(A)+12(B)=16;CN(B)=6(A)+6(B)=12。31.TCP特点1）密排：由于TCP相的各组元大小不同，且符合一定的原子半径比，故TCP相中的原子比FCC、CPH纯金属或其它GCP更致密地填充整个空间。2）高配位数：TCP相具有高的配位数，而且不同的组元原子或在不同位置的原子可以有不同的配位数。3）四面体堆垛：TCP相往往可以看成是由规则或不规

25、则的四面体无间隙地填充整个空间。4）层状结构：TCP相可以看成是由两类原子的密排层依次相间堆垛而成。5）Kasper相和Kasper多面体，上述由四面体堆垛而成的TCP相也称为Kasper相，因为Kasper等人发现，这样的TCP相也可看成是由各种配位多面体堆垛而成。32.Hagg规则当rX/rM0.59时，形成结构复杂的间隙相，其典型的化学式为M3C,M23C6,和M6C。rX/rM0.23时，准金属原子占据过渡金属结构的四面体间隙；而当rX/rM在0.41到0.59之间时，占据八面体间隙。（金属学解释：简单结构的为间隙相，复杂结构为间隙化合物。间隙相的硬度、熔点比间隙化合物大。）33.间隙

26、化合物的特性1）虽然原子半径比是决定结构的主要因素，但价电子浓度因素对结构也有很大的影响。2）虽然间隙化合物可以用一个化学式表示，但大多数间隙化合物的成分可以在一定的范围内变化。3）虽然间隙化合物中准金属元素的含量很高，但它仍具有明显的金属性质。4）间隙化合物一般具有很高的熔点、极高的硬度和脆性。5）间隙化合物中的结合键是混合型的6）某些间隙化合物具有超导性。7）过渡族金属的硼化物和磷化物可通过快冷而成为非晶材料，其力学和电学性能类似于钢。34.间隙相、间隙固溶体间隙相的晶体结构与组元不同，而间隙固溶体保持着溶剂的晶格类型。扩散部分1扩散：大量原子的热运动而引起的物质的宏观迁移。2扩散分类：1

27、）浓度的均匀程度分（是否发生浓度变化）自扩散：不伴有浓度的变化，与浓度梯度无关。如纯金属和均匀固溶体中晶粒长大，驱动力为表面能的降低。原因晶界迁移时溶质和溶剂原子扩散方向相同互扩散：有浓度差的空间扩散，伴有浓度变化，异类原子相对扩散，互相扩散。2）按扩散方向是否与浓度梯度方向相同分：下坡扩散（顺扩散）：由高浓度区向低浓度区扩散，即是沿着浓度降低的方向扩散，如铸锭子均匀化退火、渗碳等。上坡扩散（逆扩散）：低浓度区向高浓度区扩散即沿着浓度梯度升高的方向扩散。驱动力为化学位梯度。3）按原子的扩散路径分：体扩散：在晶粒内部的扩散。表面扩散：沿表面的进行的扩散。晶界扩散：沿晶界进行的扩散。表面扩散和晶界

28、扩散比体扩散速度要快。前两种情况又称为短路扩散。4）根据扩散过程中是否出现新相分：原子扩散：基体晶格不变，没有新相产生。反应扩散：通过扩散使固溶体的溶质组元浓度超过固溶体极限而形成新相的过程称为反应扩散。反应扩散的特点：相界面处产生浓度突变二元系的扩散层中不可能存在两相区。3稳态扩散：扩散过程中，对于任一体积元，在任一时刻流入的物质量与流出的物质量相等，即各处的浓度只随距离变化，浓度不随时间变化。4非稳态扩散：在扩散过程中，各处的浓度不仅随距离变化，而且还随时间发生变化。5菲克第一、第二定律均表明扩散的过程总是使不均匀体系均匀化，由非平衡逐渐到平衡。6柯根达尔尔效应：1947年，克根达尔和斯密

29、吉加斯用实验证明了在互扩散过程中组元的扩散系数不同，以及置换式扩散的空位机制。实验中，在黄铜与其镀层铜中包入钼丝，其中钼丝仅作标志物，在整个过程中不参加扩散反应。扩散组元是铜和锌，二者构成置换式固溶体。在置换式固溶体的扩散过程中，放置在原始界面上的标志物朝着低熔点的方向移动，移动距离与时间成抛物线关系。造成现象原因是：低熔点的组元扩散快，高熔点组元扩散慢，变是这种不等量的原子交换造成了克根达尔效应。7.扩散微观机制1)直接换位机制的否定:这种换位势必使交换原子对附近的晶格发生强烈的畸变,固此种机制存在可能性不大。2）间隙机制：适用于间隙固溶体中间隙原子的扩散。其中发生间隙扩散的主要是间隙原子，

30、阵点上的原子则可以认为是不动的。C、H、N、B、O等尺寸较小的原子在固溶体中的扩散是按照一个间隙位置跳动到近邻的另一个间隙位置的方式进行的。3）空位机制：空位机制适用于置换式固溶体的扩散。它是FCC金属中扩散的主要机构，在BCC和HCP金属、离子化合物和氧化物中，也起重要作用。4）其它类型扩散机制：环形扩散机制：3个以上原子呈环形转动、循环交换位置，其畸变能比两个原子的直接交换位机制要低得多。填隙子机制；较大原子进入间隙位置，如辐照后形成的缺陷，它不是跳入另外的间隙中，而是将其相邻近的处于平衡位置的原子推入到间隙中，它自己则占据这个空下的平衡位置，如此反复进行，就会不断地发生扩散。如Ag在Ag

31、Br中的扩散。挤列子机制：两个原子共享一个格点。8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。9扩散系数D与温度的关系：D=D0e-Q/RT。D0和Q物质的成分和结构，与温度无关。D0扩散常数，Q扩散激活能。一般来说，空位机制比间隙机制需要更大的扩散激活能。10影响扩散的因素1）温度的影响：由扩散系数的表达式D=D0e-Q/RT，D0和Q物质的成分和结构，与温度无关。可知扩散系数与温度呈指数关系，T对D有强烈的影响。温度越高，原子的能量越大，越容易迁移，因此扩散系数越大。许多卤化物、氧化物等离子化合物的扩散系数与离子电导在某一温度会发生突变，这反映在高

32、于或低于这一温度受两种不同的扩散机制所控制。高温区以热缺陷引起的扩散为主，（包括弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷）称为本征扩散；低温区一般以杂质产生或控制的缺陷所引起的扩散为主，称为非本征扩散。2）成分的影响组元特性：原子在点阵中扩散需要的克服能垒，即需要部分地破坏邻近原子的结合键才能实现跃迁。微观上讲，固溶体中组元原子的原子尺寸相差愈大，畸变就越大，扩散容易，则Q越小，而D值越大；组元间亲合力强，负电性相差越大，则溶质原子扩散越难；溶解度越小的元素扩散越容易；对于一价贵金属（如银）为溶剂的合金中，溶质元素的原子价大于溶剂，则其激活能小于基体金属的扩散激活能；并且溶质原子序数越大，激活能就越小。Tm（

33、熔点）,Lm（熔化潜热）,Ls（升化潜热）越高，或（体积膨胀系数）、（体积压缩系数）越小，则Q越大。溶质使溶剂的熔点下降，则D增加，使B的熔点升高，则D下降。组元浓度：一般扩散系数是浓度的函数，某些元素在铜中的扩散系数与浓度与正比，Ni,Mn,C在-Fe中的扩散随浓度呈正比，铁的自扩散系数随含碳量的升高而增大；相反情况如Au-Ni合金中，随着镍含量的增加，D,DNi,DAu均明显降低。实验证明，溶质浓度对扩散系数的影响是通过Q和D0两个参数起作用的。通常是Q值增加，D0值也增加；而Q值减小，D0值也减小。第三组元的影响：合金元素对碳在奥氏体中的扩散的影响如Co增加扩散系数，W和Mo降低扩散系数

34、，Mn和Ni对扩散系数的影响不大。原因是：改变了碳的活度；引起点阵畸变、改变了碳原子的迁移率，从而改变了扩散激活能；细化晶粒，增加了短路扩散的通道；合金元素使空位浓度改变，由于短程交互作用，改变了杂质近邻原子的跃迁几率等。硅对碳在钢中的影响是：使碳从低碳浓度区向高浓度区流动，发生上破扩散。这种现象原因是由于硅增加了碳的活度，从而增加了碳的化学位。3）晶体结构的影响结构的类型：在致密度较小的结构中，无论是自扩散还是合金元素的扩散都易于进行。固溶体类型：置换式原子的扩散激活能比间隙原子大得多。各向异性：对称性较低、原子和间隙位置的排列呈各向异性的晶体中，扩散速率也是各向异性。对称性较高的立方晶系中

35、，扩散系数各向同性。4）短路扩散：扩散沿着表面、界面、位错等缺陷部位进行。温度较低时，短路扩散起主要作用；温度较高时，点阵内部扩散起主要作用。温度较低且一定时，晶粒越细扩散系数越大，这是短路扩散在起作用。一般来说，表面扩散系数最大，其次是晶界扩散系数，而点阵扩散系数最小。表面扩散晶界扩散：具有结构敏感性，在一定温度下，晶粒越小，晶界扩散越显著；晶界扩散与晶粒位向、晶界结构有关，其扩散深度与晶界两侧晶粒间的位相差有关，在10至80之间，晶界上的扩散深度大于晶粒内部，=45度时出现最大值。过饱和空位及位错的影响：对较低的温度下扩散起很大作用，使扩散速率显著提高。11反应扩散：通过扩散而形成新相的现

36、象。12反应扩散的过程：一个是扩散过程；另一个是界面上达到一定浓度即发生相变反应的过程。13二元系中扩散区不存在双相区的相律解释：f=c-p+2式中，由于压力及扩散温度是一事实上的，故应去掉两个自由度的数目，此时f=c-p。在单相时，f =2-1=1，说明该相的浓度是可以改变的，因此，在扩散过程中可以是有浓度梯度，即扩散过程是可以发生。然而若出现平衡共存的双相区，f =2-2=0，意味着每一相的浓度均不能改变，说明在此双相区中不存在浓度梯度，扩散在此区域不能发生。14固态金属扩散的条件1）温度足够高：固态扩散是依靠原子的热激活而进行的过程。温度越高，原子热振动越激烈，原子被热激活而进行迁移的几

37、率就越大，低于一定温度，表面不出物质输送的宏观效果，如同扩散被“冻结”一样。2）时间要足够长3）扩散原子要固溶：扩散原子在基体中必须有一定的固溶度，能够溶入基体晶格，形成固溶体，才能进行固态扩散。4）扩散要有驱动力：扩散的驱动务不是浓度，而是化学位梯度。此外在温度梯度、应力梯度、表面自由能差、以及电场和磁场的作用下，也可以引起扩散。14.固态烧结:热力学角度,烧结而导至材料致密化的基本驱动力是表面、界面的减少从而系统表面、界面能的下降。从动力学角度，要通过各种复杂的扩散传质过程。凝固与结晶1结晶：液态金属转变为金属晶体的过程。实质是由不稳定的具有近程有序排列的原子集团的液体结构转变为稳定的长程

38、有序的晶体结构。2液态金属结构：液态金属是由近程有序排列的原子集团所组成。这些原子集团不是稳定的，瞬时形成，瞬时消失，与系统的能量起伏相对应，这些原子集团的尺寸也是不同的，形成结构上的起伏。3过冷现象：金属的实际结晶结晶Tn与理论结晶温度Tm之差，称为过冷度。以T表示，T=Tm-Tn。过冷度取决于金属本性和纯度及冷却速度。金属不同，过冷度不同；纯度高，过冷度大；冷却速度越大，过冷度越大。4结晶潜热：结晶时从液相转变为固相放出的热量5熔化潜热：金属溶化时从固相转变为液相吸收的热量。6相变潜热：一摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸引的热量。7孕育期：当液态金属过冷至理论结晶温度以下的

39、实际结晶温度时，晶核并未立即出生，而是经过一定的时间后才开始出现第一批晶核。结晶开始前的这段停留时间称为孕育期。8理论结晶温度Tm：两相的自由能相等，即：GL=GS，它表示两相可以同时共存，同样的稳定性。9为什么结晶温度一定要低于理论结晶温度？由热力学知：状态自由能：G=H-TS，dG=VdP-SdT，等压条件下，dP=0，固dG=-SdT或者dG/dT=-S。由于液态SLSS，固液相自由能下降的快，所以只有当温度低于Tm时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能，液态金属才能自发地转变为固态金属。如果温度高于Tm，液态金属不能转变为固态。固态和液态两相自由能的变化之差构成了金属结晶的驱动力。

40、10推导单位体积自由能GV的变化与过冷度T的关系。因为GV=GL-GS，所以GV=HL-TSL-（HS-TSS）=（HL-HS）-T（SL-SS）由于HL-HS=Lm熔化潜热。当温度T=Tm时，GV=0，即Lm=T（SL-SS）=TS当TTm，时，由于S变化小，视为常数，得GV=Lm-T（Lm/ Tm）= Lm（T/Tm）11为什么金属结晶时必须过冷？要获得结晶过程所必需的驱动力，一定要实际结晶结晶低于理论结晶温度，这样才能满足结晶的热力学条件。过冷度越大，液、固两相自由能差值越大，即相变驱动力越大，结晶速度越快。12晶胚：根据结晶热力学条件，只有在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏才有可能在结

41、晶时转变成为晶核，这些相起伏就是晶核的胚芽。13结晶凝固过程包括：晶体核心的形成和晶核长大。14金属凝固时形核方式：均匀形核：金属液体中依靠自身的结构均匀自发地形成核心不均匀形核：依靠外来夹杂物所提供的异相界面非自发不均匀地形核。15.均匀形核和能量条件系统自由能变化为: G=-VSGV+ASLSL核心为球形，半径为r,则G=-(4/3)r3GV+4r2SL由式看出，G随r变化的曲线为一有极大点的曲线，在r=r*处，有极大值。当rr*时，r增大，增大，系统自由能增加，相反，r减小，系统自由能降低。故半径小于r*的原子集团在液相中不能稳定存在，只能溶解至消失。半径小于rr*的原子集团称为晶胚。当

42、rr*时，r增大，G减少，系统自由能下降，故大于r*的原子集团可以稳定存在，作为晶核而长大，r=r*，叫临界晶核，或晶核临界尺寸。dG/dr=0,得到r*=2SL/GVr*=(2SLTm)/(LVT)G*=(16/3) n (SL3/GV)形核功只是表面能的三分之一，形成临界晶核时所降低的体积吉布斯自由能只能补偿三分之二的表面自由能。形核功依靠系统的能量起伏来提供。16形核率：单位时间单位体积液相中形成的晶核数目，以N表示，单位为cm-3/s。受两个因素控制：一方面是随着过冷度的增加，晶核的临界半径和形核功减小，易于形核；另一方面临界形核或晶核长大，必须伴随着原子向晶核迁移，即受扩散能力影响。

43、因此形核率可用下式表示：N=N1N2 N1受形核功的影响的形核率因子，N2受原子扩散能力影响的形核因子两者共同作用，使N曲线出现了极大值，开始时形核率随过冷度的增加而增大，当超过极大值后，形核率又随过冷度的增加而减小。实际金属形核率Ne-1/T2,在达到极大值之前金属已凝固完全了。r*与r的过冷度关系曲线相交于T*处，小于T*时，液相中不存在具有r*大小的原子集团，因而不能形核，大于T*时，液相中存在满足r*尺寸要求，而发生均匀形核。T*叫临界过冷度，也叫有效过冷度。有效过冷度大约等于0.2Tm(K)。17非均匀形核的能量条件形核半径：形核功：非均匀形核时的临界晶核尺寸与均匀形核临界尺寸相同，

44、而非均匀形核的形核功低于均匀形核的形核功。18非均匀形核的形核率决定因素1）过冷度：过冷度越大，非均匀形核率也越大，与均匀形核对比，相同的形核功，非均匀形核需要更小的过冷度；相同的过冷度，需要更低的形核功。2）外来夹杂：夹杂特性：越小，形核率越大，夹杂与固体晶核间的界面张力越小，提供大的形核率。有两类夹杂具有低的界面张力，可作为非均匀形核的基底，提供大的形核率，一类是同晶或活性夹杂，与固相具有相同的晶体结构；另一类是非同晶的难熔活化夹杂，其凹孔处包含难熔的同晶固相，可作为形核的基底。夹杂基底表面形态：形态不同，形成临界晶核的体积不同，凹形基底的夹杂形成临界晶核的体积最小，形核率大。夹杂数量：数

45、量越多，非均匀形核率越大。3）液体金属的过热：当液体温度过热，可使难熔夹杂熔化或是使其表面的活性去除，失去活化夹杂的特性减少活性夹杂数量。形核率下降。19纯金属晶体的长大晶体的长大可从宏观和微观两个方面分析：宏观长大指晶体长大中液-固界面所具有的形态；微观长大则指原子进入固相晶核表面的方式。20晶体长大固-液界面的形态取决于界面前沿液体中的温度分布。21决定晶体长大方式和长大速度的主要因素是：晶核的界面结构和界面附近的温度分布状况。22液体中的温度分布1）正温度梯度：液相的结晶从冷却最快、温度最低的部位（模壁）开始。液体中心有较高的温度，液相的热量和结晶潜热沿已结晶的固相和模壁散失，因而界面前

46、沿液体的过冷度随离开界面距离增大而降低，液体内部是过热的。2）负温度梯度：极缓慢的冷却条件下，液体内部温度分布比较均匀，冷到一定过冷度下，液中某些能量有利区形成晶核并长大，长大放出潜热，使液固界面处温度高于液体内部，而出现随离开界面的距离增加，液体的过冷度增大，液体处于过冷状态。23晶体的宏观长大方式1）平面方式长大：液体具有正温度梯度分布情况下，晶体以平界面方式推移长大。2）树枝状方式长大：液体具有负温度梯度的条件下，界面上偶然凸起将伸入过冷的液体，液体有更大的过冷度，有利于晶体长大和凝固潜热的散失，从而形成枝晶的一级轴，一个枝晶的形成，其潜热使邻近液体温度升高，过冷度降低因此类似的枝晶只在

47、相邻一事实上间距的界面上形成，相互平行分布。在一次枝晶处的温度比枝晶间温度要高，这种负温度梯度使一级轴上双长出二级轴分枝，以及多级的分枝。枝晶生长的最后阶段，由于凝固潜热，使枝晶周围的液体温度升高到熔点以上，液体中出现正温度梯度，此时晶体依靠平界面方式推进，直至枝晶间隙全部填满。24固液界面的微观结构1)粗糙界面:2,x=0.5,相应于界面上有一半位置为原子占据，一半为空位。界面在微观范围是粗糙的，高低不平，界面由几个原子厚的过渡层组成，但在宏观上是平直的。2）光滑界面（或平整型界面）：当5，x0和x1处出现稳定的界面，x0相应于固相原子在表面极少，x1相应于空位在表面极少，因而界面保持晶体学光滑表面的特性，界面为一个原子的过渡层，与液相截然分开，界面上各自晶体学表面取向不同，因此宏观上看界面是曲折、锯齿形小平面。一般有机物形成光滑界面。25晶体微观长大方式和长大速率（与界面