固態(tài)金屬中的擴(kuò)散與相變

目 錄

前言

常用符號(hào)名稱對(duì)照表

第一章 金屬中的擴(kuò)散

第一節(jié) 擴(kuò)散的宏觀規(guī)律

一、Fick第一定律與穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散

（一）在一維空間擴(kuò)散的表達(dá)式

（二）在薄壁管柱對(duì)稱時(shí)的二維擴(kuò)散

（三）在球?qū)ΨQ體中的三維擴(kuò)散

二、Fick第一定律在固態(tài)相變研究中的應(yīng)用

（一）測(cè)定碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)

（二）分析擴(kuò)散型相變中擴(kuò)散組元流量

（三）分析擴(kuò)散型相變中新相相界移動(dòng)長(zhǎng)大速度

（四）過飽和固溶體析出沉淀相時(shí)，固溶體貧化動(dòng)力學(xué)

三、Fick第二定律及非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散

四、廣義力作用下的擴(kuò)散方程

（一）連續(xù)合金系中K組元的擴(kuò)散通量方程

（二）質(zhì)量保存定律

（三）電場(chǎng)作用下的擴(kuò)散方程

（四）廣義力作用下的擴(kuò)散方程

第二節(jié) 擴(kuò)散方程解

一、薄壁源擴(kuò)散的解

二 半無(wú)限長(zhǎng)對(duì)焊金屬棒擴(kuò)散偶的解

（一）疊加法求解

（二）拉氏變換（Loplacetransform）求解

三、有界體系解

四、擴(kuò)散系數(shù)與晶體結(jié)構(gòu)和濃度有關(guān)時(shí)的擴(kuò)散方程解

（一）在各向異性介質(zhì)中的擴(kuò)散方程及擴(kuò)散方程解

（二）擴(kuò)散系數(shù)與濃度有關(guān)時(shí)的方程解

五、擴(kuò)散方程的數(shù)值解

第三節(jié) 擴(kuò)散機(jī)制及微觀理論

一、擴(kuò)散機(jī)制

（一）間隙機(jī)制

（二）換位機(jī)制

（三）空位機(jī)制

二、原子熱運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散系數(shù)

（一）理想溶液中原子的躍遷與擴(kuò)散系數(shù)

（二）原子擴(kuò)散的統(tǒng)計(jì)分析

（三）相關(guān)系數(shù)

第四節(jié) 二元合金中的擴(kuò)散及擴(kuò)散熱力學(xué)

一、稀二元合金中的擴(kuò)散

二、濃二元合金中的擴(kuò)散與Darken方程

三 合金中擴(kuò)散過程的熱力學(xué)

第五節(jié) 快速通道擴(kuò)散

一、表面擴(kuò)散

二、晶界擴(kuò)散

（一）唯象公式及數(shù)學(xué)解析

（二）影響晶界擴(kuò)散系數(shù)D↓b的因素

（三）晶界擴(kuò)散機(jī)制

三、沿位錯(cuò)中心擴(kuò)散

第六節(jié) 復(fù)雜條件下的擴(kuò)散

一、三元系中的擴(kuò)散

二、反應(yīng)擴(kuò)散

（一）反應(yīng)擴(kuò)散時(shí)擴(kuò)散系數(shù)的確定

（二）反應(yīng)擴(kuò)散時(shí)新相的長(zhǎng)大

三、多元系中的擴(kuò)散

（一）唯象公式

（二）多組元擴(kuò)散時(shí)擴(kuò)散層形成特點(diǎn)

四、塑性變形時(shí)金屬中的擴(kuò)散

參考文獻(xiàn)

第二章 固態(tài)相變的形核 長(zhǎng)大與粗化

第一節(jié) 概述

一、按熱力學(xué)分類

二、按原子遷移特征分類

三 按相變方式分類

第二節(jié) 固態(tài)相變的形核

一、擴(kuò)散形核

（一）均勻形核

（二）形核率I

（三）不均勻形核

二、無(wú)擴(kuò)散形核

（一）均勻形核

（二）不均勻形核

（三）核胚凍結(jié)理論

（四）應(yīng)變形核

（五）彈性波位移形核及軟模

第三節(jié) 固態(tài)相變的長(zhǎng)大

一、固態(tài)相變長(zhǎng)大類型

二、成分不變協(xié)同型轉(zhuǎn)變

三、成分不變非協(xié)同型轉(zhuǎn)變

（一）界面容納因子

（二）連續(xù)長(zhǎng)大

（三）臺(tái)階機(jī)制長(zhǎng)大

四、成分改變的協(xié)同型轉(zhuǎn)變

五、成分改變的非協(xié)同型轉(zhuǎn)變

（一）轉(zhuǎn)變控制因素

（二）擴(kuò)散控制長(zhǎng)大

（三）界面控制長(zhǎng)大

（四）混合控制胞狀長(zhǎng)大

六、界面溶質(zhì)原子與異相的影響

（一）溶質(zhì)拖曳

（二）異相粒子的釘扎

第四節(jié) 轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)

一、Johnson－Mehl方程

二、Avrami方程

三、TTT圖

第五節(jié) 固態(tài)相變的粗化

一、彌散析出相的粗化

二、纖維狀及片狀組織的粗化

（一）纖維狀組織的粗化

（二）片狀組織的粗化

三、晶粒粗化

（一）驅(qū)動(dòng)力P

（二）晶界曲率半徑R

（三）晶粒的正常長(zhǎng)大

參考文獻(xiàn)

第三章 無(wú)擴(kuò)散型相變

第一節(jié) 馬氏體相變熱力學(xué)

一、Fe－C合金馬氏體相變熱力學(xué)

二、β（γ）→ε′馬氏體相變熱力學(xué)

三、彈性馬氏體相變熱力學(xué)

第二節(jié) 馬氏體相變的形核

一、馬氏體共格核胚的形成

二、位錯(cuò)在馬氏體形核過程中的作用

（一）Zener模型

（二）Venables模型和極軸機(jī)制

三、應(yīng)變形核

第三節(jié) 馬氏體的長(zhǎng)大

一、馬氏體長(zhǎng)大概況

二、板條馬氏體的生長(zhǎng)

三、片狀馬氏體的生長(zhǎng)

四、應(yīng)力和形變對(duì)馬氏體形核和長(zhǎng)大的影響

第四節(jié) 馬氏體相變晶體學(xué)――表象理論

一、表象學(xué)理論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

二、不變平面應(yīng)變的性質(zhì)

三、馬氏體相變表象理論的基本原理

第五節(jié) 馬氏體相變的矩陣代數(shù)分析

一、馬氏體相變的極射赤平投影分析

二、Bowles－Mackenie（BM）分析法

三、Wechsler－Lieberman－Read（WLR）分析法

四、各向同性畸變界面的可能性

五、計(jì)算示例

（一）BM方法

（二）WLR方法

六、討論

（一）理論與實(shí)驗(yàn)的比較

（二）滑移分析與孿生分析的比較

（三）解的簡(jiǎn)并

第六節(jié) 馬氏體預(yù)相變和ω相的形成

一、馬氏體預(yù)相變

二 馬氏體預(yù)相變機(jī)制

三、β－ω相變

參考文獻(xiàn)

第四章 擴(kuò)散型相變

第一節(jié) 沉淀

一、相變熱力學(xué)

（一）相變驅(qū)動(dòng)力

（二）長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力

二、相變動(dòng)力學(xué)

三、鋁－銅合金系中的沉淀

（一）沉淀序列

（二）沉淀強(qiáng)化機(jī)制

（三）等溫沉淀動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)及其影響因素

四、常見的不連續(xù)沉淀合金系

五、Fe－C合金系中的沉淀

（一）Ti、Nb、V的碳化物與氮化物在奧氏體中的溶解

規(guī)律

（二）相間沉淀

第二節(jié) Spinodal（調(diào)幅）分解

一、Spinodal分解熱力學(xué)

（一）Spinodal分解的理論邊界條件――化學(xué)拐點(diǎn)界線

（二）Spinodal分解的修正邊界條件――共格拐點(diǎn)界線

二、Spinodal分解機(jī)制與動(dòng)力學(xué)

（一）Spinodal分解機(jī)制

（二）Spinodal分解動(dòng)力學(xué)

三、Spinodal分解與形核－長(zhǎng)大型沉淀的區(qū)別

四 組織與性能特點(diǎn)

第三節(jié) 共析分解

一、共析分解熱力學(xué)

二、珠光體相變

（一）相變機(jī)制

（二）相變動(dòng)力學(xué)

三、貝氏體相變

（一）貝氏體的形態(tài)及晶體學(xué)

（二）轉(zhuǎn)變機(jī)制

（三）貝氏體相變熱力學(xué)――KRC模型

（四）貝氏體相變動(dòng)力學(xué)

（五）貝氏體相變的若干爭(zhēng)議問題

第四節(jié) 有序－無(wú)序相變

一、有序－無(wú)序相變熱力學(xué)

（一）具有有序－無(wú)序相變合金系相圖的特點(diǎn)

（二）固溶體自由焓的統(tǒng)計(jì)理論

二、超結(jié)構(gòu)

三、有序度參量

（一）短程有序度

（二）長(zhǎng)程有序度

（三）ω與σ間關(guān)系

四、有序化機(jī)制

（一）長(zhǎng)程有序

（二）短程有序

（三）有序化過程機(jī)制小結(jié)

五、有序化動(dòng)力學(xué)

（一）均勻有序化

（二）有序疇的長(zhǎng)大

（三）有序疇的Ostwald粗化

六、有序化對(duì)合金性質(zhì)的影響

（一）熱容

（二）電阻率

（三）磁學(xué)性質(zhì)

（四）力學(xué)性能

參考文獻(xiàn)

本書主要是為熱加工工作者提供固態(tài)金屬相變方面較為

深入的有關(guān)理論知識(shí)，著重闡明了有關(guān)的物理概念和物理模

型，盡可能減少了數(shù)學(xué)推導(dǎo)。全書共分四章，包括兩大部分，

第一、二章為第一部分，論述了固態(tài)金屬相變中的一般性問

題，即金屬中的擴(kuò)散以及固態(tài)金屬相變中的形核、長(zhǎng)大、粗

化等問題。第三、四章為第二部分，討論了與金屬材料生產(chǎn)

實(shí)際有關(guān)的各種具體相變，其中包括非擴(kuò)散型相變及擴(kuò)散型

相變。

本書可供熱加工專業(yè)研究生作教材用，也可供教師、工

廠技術(shù)人員及本科學(xué)生作參考用。

自20世紀(jì)70年代初Benjamin用高能球磨的方法制備出氧化物彌散強(qiáng)化合金以后,Yermakov和Koch在80年代發(fā)現(xiàn)可以用這種被稱為機(jī)械合金化(MechanicalAlloying)的方法來(lái)制造非晶相和納米相,隨后人們發(fā)現(xiàn)機(jī)械合金化可以打破相圖的規(guī)限,制造多元素的過飽和固溶合金,從此,機(jī)械合金化成為制備新材料的一種新方法。

人們已經(jīng)用它成功地制備出非晶、納米晶、金屬間化合物、金屬基復(fù)合材料、彌散強(qiáng)化材料、高溫材料、磁性材料、過飽和固溶體等多種新型合金。近年來(lái)諸多重要的國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議已將機(jī)械合金化列為會(huì)議專題,日益受到國(guó)際材料學(xué)界的重視。

氣體在固體中由于密度分布不均勻而發(fā)生的質(zhì)量輸運(yùn)過程。

正文

穩(wěn)恒的擴(kuò)散過程，也遵守斐克第一定律：

式中d為單位時(shí)間內(nèi)通過與方向相垂直的單位面積上氣體的量，為氣體的密度，為擴(kuò)散系數(shù)。

非穩(wěn)恒過程中，氣體的密度隨時(shí)間變化,根據(jù)連續(xù)性方程，有

上式也稱為斐克第二定律?？梢愿鶕?jù)兩個(gè)斐克定律求解研究擴(kuò)散過程。

擴(kuò)散系數(shù)與氣體以及固體的物理和化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。惰性氣體和水蒸氣在固體有機(jī)材料(如橡膠、塑料等)中有較大的值。氫在玻璃和金屬中都有顯著的擴(kuò)散性能。但與氣體在氣體中的擴(kuò)散相比，氣體在固體中的擴(kuò)散系數(shù)通常小得微不足道。因而在某些固體中，有些氣體的密度均勻化過程進(jìn)行得非常緩慢，有時(shí)甚至要延長(zhǎng)到若干年。

此外，理論和實(shí)驗(yàn)都指出,擴(kuò)散系數(shù)是溫度的指數(shù)函數(shù)。