材料热力学和动力学答案.docx

1、Gibbs-Thomson effect:1. The GibbsThomson Effect, in common physics usage, refers to variations in vapor pressure or chemical potential across a curved surface or interface. The existence of a positive interfacial energy will increase the energy required to form small particles with high curvature, a

2、nd these particles will exhibit an increased vapor pressure. See OstwaldFreundlich equation.2. More specifically, the GibbsThomson effect refers to the observation that small crystals are in equilibrium with their liquid melt at a lower temperature than large crystals. In cases of confined geometry,

3、 such as liquids contained within porous media, this leads to a depression in the freezing point / melting point that is inversely proportional to the pore size, as given by the GibbsThomson equation.Why at a relatively lower temperature solute transport tends to become more effective via grain boun

4、dary than through the lattice or through dislocation? Please have an example material to clear.（为什么在一个相对较低的温度，溶质趋向于通过晶界的运输比晶格和位错运输更有效？请举一种材料作为例子详述）答：在多晶体中的扩散除了再晶粒点阵内部进行之外，还会沿表面、晶界、位错等缺陷部位进行。由于这些部位的点阵畸变较大，原子处于较高的能量状态，易于跳动，因而沿表面、晶界、位错迁移的扩散系数恒大于原子穿越点阵内部的体扩散系数。晶界扩散的作用因温度不同而不同，在温度较低时，由于晶界激活能比点阵激活能小得多，晶界扩

5、散对整个扩散起了重要作用。这也就是为什么在一个相对较低的温度，溶质趋向于通过晶界的运输比晶格和位错运输更有效。但随着温度的升高，晶内空位浓度逐渐增加，点阵扩散系数相应增大，比例很小的晶界扩散伴随着温度的升高其作用逐步减弱。例如：单晶体银与多晶体银自扩散系数进行比较实验中可以发现，在温度较低时，多晶体银的自扩散系数要远远大于单晶银的自扩散系数。而当温度上升到 700oC 时，二者相当。After nucleation of both phases, the colony can grow edgewise by the movement of the incoherent interfaces

6、that a pearlite growth into the austenite grain with which is does not have on orientation relationship.（两相形核之后，集落能够通过不连续的界面沿边生长，一个珠光体长成两个无定向关系的奥氏体晶粒）答：当温度达到一定温度后，先在形核晶界处形成一小片渗碳体（片状是为了减小应变能） ，然后通过临近原子沿着不连续界面聚集长大，一个珠光体长成两个无定向关系的奥氏体。The advantage and disadvantage between DSC and DTA（DSC 曲线和 DTA 曲线相比的优

7、缺点）DTA 与 DSC 两种方法的主要差别是 DTA 测定的是试样与参比物的温度差 T ，而DSC 测定的是保持试样与参比物温差为零时的热流率（功率差）dH/dt。尽管两者曲线形状及定量校正方法都很相似，但其原理和曲线方程是不同的。DSC 的主要优点是热量定量方便，分辨率高好，灵敏度高。DSC 的第一个缺点是使用温度低，最高只能用到 800，一般在 600以上，基线明显变坏已不能用最高灵敏度档。DSC 仪器使用温度提不高的原因，一是 DSC 样品支持器下有测温热电阻，又有加热丝，对绝缘材料要求很高，而耐高温的绝缘材料不易找到。所以使用 DSC 仪器尽量不用太高温度，这样可以延长样品支持器的寿

8、命。二是，800以上红外线辐射已很严重，试样的颜色、颗粒形状对吸收辐射热已有明显的影响，虽然有的仪器加了白金保护罩，辐射还是对基线有影响。而 DTA 没有内加热问题，所以绝缘材料好解决。超高温 DTA 仪可以用到 2400，一般高温炉也能用到15001700。因此，需要在高温区测定试样的矿物、冶金等领域还只能用 DTA 仪。DSC的第二个缺点是“起始温度”高。如室温 20开始升温，可以测定 3040出峰的试样。而 DSC 开机后样品支持器就开始补热，用低档时，基线要在 50左右才能平衡，用高档平衡后可达 6070，开始升温后只能作 80以后的峰，这就是所谓的“起始温度”高。但这不意味着室温附近

9、出峰的试样不能作，要作，必须用热分析仪的冷冻机或用低温附件装液氮降温，然后再升温，就可以作室温或者更低温度出峰的试样，一般 DSC 仪可以降低到-70左右，有的 DSC 仪可以降到-175。但这比较麻烦，费时间。 DSC 仪器的第三个缺点是仪器比相应 DTA 仪器精密、复杂、昂贵。 DTA 仪可以自制，就是因其简单。 DTA仪使用时，故障也少些。DTA 和 DSC 较为相似，二者都是将样品与一种惰性参比物（常用 -Al2O3）同置于加热器的两个不同位置上，按一定程序恒速加热（或冷却） 。所不同的是，DTA 是同步测量样品与参比物的温差，而 DSC 则是测量输入给样品和参比物的功率差，即热量差，

10、较之测量温差更精确，因此 DSC 比 DTA 法更为优越。不同晶型，升温（或冷却）过程中的吸、放热峰也会有差异，从而可根据曲线的不同来确定不同的晶型。差热分析 (DTA)是在程序控制温度条件下，测量样品与参比物之间的温度差与温度关系的一种热分析方法。差示扫描量热法 (DSC)是在程序控制温度条件下，测量输入给样品与参比物的功率差与温度关系的一种热分析方法。两种方法的物理含义不一样，DTA 仅可以测试相变温度等温度特征点，DSC 不仅可以测相变温度点，而且可以测相变时的热量变化。DTA 曲线上的放热峰和吸热峰无确定物理含义，而 DSC 曲线上的放热峰和吸热峰分别代表放出热量和吸收热量。如何测焓：

11、法 1：通过示差扫描量热法测出材料的 DSC 曲线。如果要得到测试样品在某个转变或反应的热焓，则需要对整个 DSC 曲线峰对于时间进行积分，即式中， 即为峰面积。所以样品的热焓直接与 DSC 曲线下面所包含的面积成正比。在热量与面积的转换中还要涉及到仪器校正常数 K。通常人们采用其熔融热焓精确测定过的高纯金属作为校正标准。常用的是金属铟，其纯度为 99.999，熔点为 156.4oC，熔融热焓为 。Diamond DSC 经过高纯铟修正，使 K1，于是面积值就等于热焓变化。法 2：使用氧弹式热量计，背侧材料在定容下燃烧，因此测得 Qv ，即 cUm 。根据 cHm(B,T)= cUm(B,T)

12、+pV .若视为理想气体 pV= B BRT,忽略压力对 cHm(B,T)的影响，得到 cHm(B,T)= cUm(B,T)+ B BRT通过计算可以得出焓值。Understand the thermodynamic data and dynamic consideration（理解热力学和动力学关心的问题）材料热力学是经典热力学和统计热力学理论在材料研究方面的应用，其目的在于揭示材料中的相和组织的形成规律。固态材料中的熔化与凝固以及各类固态相变、相平衡关系和相平衡成分的确定、结构上的物理和化学有序性以及各类晶体缺陷的形成条件等是其主要研究对象。材料动力学通常主要包括化学反应动力学、合金相变过

13、程中的扩散以及相变动力学。热力学只能预言在给定条件下某一过程的方向和限度，而动力学是解决一个过程是如何进行的问题。动力学研究的是过程变化速率和变化的机理，即一个过程的现实性。动力学所关注的问题有涉及扩散、界面迁移、相变、微结构演化、缺陷移动等。动力学是研究过程的变化速率和变化机理，是解决一个过程是如何进行的问题，即一个过程的实现性。化学动力学的基本任务之一是了解反应的速率，了解各种因素（如分子结构、温度、压力、浓度、介质、催化剂）对反应速率的影响。化学动力学的另一个基本任务是研究反应历程，即反应物按照什么途径、经过哪些步骤才转化为最终产物。同时，知道了这些历程，就可以找出决定反应速率的关键所在

14、，使主反应按照我们所希望的方向进行，并使副反应以最小的速率进行。反应的历程可以反映出物质结构和反应能力之间的关系，从而加深我们对物质运动形态的认识，利用已知的有关物质结构的知识也可以推测一些反应的历程。其中化学动力学、相变动力学与材料的科学息息相关。Generalize the influence factors on diffusion and diffusion coefficient.(概括扩散与扩散系数的影响因素)答：1温度的影响：温度升高，扩散原子获得能量超越势垒几率增大且空位浓度增大，有利扩散，对固体中扩散型相变、晶粒长大化学热处理有重要影响。2. 晶体结构的影响 a.同素异晶转变

15、的金属中，D 随晶体结构改变，910， D-Fe/D-Fe=280， -Fe 致密度低，且易形成空位。b.晶体各向异性使 D 有各向异性.3. 固溶体类型 间隙原子扩散激活能小于置换式原子扩散激活能，缺位式固溶体中缺位数多，扩散易进行。4. 第三组元的影响 第三组元的加入对扩散系数的影响比较复杂，有的促进扩散，有的阻碍扩散。5.晶体缺陷的影响 短路扩散：原子沿点、线、面缺陷扩散速率比沿晶内体扩散速率大。沿面缺陷的扩散（界面、晶界）：原子规则排列受破坏，产生畸变，能量高， 所需扩散激活能低。沿线缺陷（位错）的扩散：位错象一根管道，沿位错扩散激活能很低，D 可以很高 ，但位错截面积总分数很少，只在

16、低温时明显，如低温时过饱和固溶体分解时沉淀相在位错形核冷变形，增加界面及位错，促进扩散。Conclude related MSE questions and research development（得出与材料科学与工程相关问题和研究的发展的结论）Materials science is primarily concerned with the search for basic knowledge about the internal structure, properties, and processing of materials. Materials engineering is mai

17、nly concerned with the use of fundamental and applied knowledge of materials so that the materials can be converted into products needed or desired by society. The term materials science and engineering combines both materials science and materials engineering and is the subject of this book. Materi

18、als science is at the basic knowledge end of the materials knowledge spectrum and materials engineering is at the applied knowledge end, and there is no demarcation line between the two.Give the reason about the fig.1, why T1 is below T2(nearly always)（根据图 1 给出为什么T1 几乎总是低于 T2 的原因）答：在压强不变的情况下，单位质量的某种

19、物质温度升高 1K 所需吸收的热量，叫做该种物质的“定压比热容” ，用符号 Cp 表示。图示为二级相变，之所以出现下落是因为，温度达到了居里点，使得材料发生有序-无序转变，多晶型转变，磁性转变等使得材料内部发生变化，Cp 下降。而 T1 总是小于 T2 的原因大概又是三个：1.晶体材料中有多种缺陷，其中的空位和间隙原子的形成主要依靠能量涨落，因此与温度有密切的关系，也可以称为热缺陷。热力学分析表明，在高于0K 的任何温度下，晶体最稳定的状态是含有一定浓度的点缺陷的状态，这个浓度就称为在该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度。如果点缺陷的形成是热能引起的，则需要向晶体提供额外的能量( 空位或间隙原子形成

20、能) ，因而引起附加比热容。2.电子的比热容与温度成正比，但由于T TF，所以，电子气的比热容是比较小的。在室温时电子比热容一般只占金属的总比热容的1%，因此常温下电子比热容是可以忽略不计的。3. 晶格振动比热容可以使用爱因斯坦模型和德拜模型，室温以上两种模型给出的比热容随温度变化趋势都是随温度上升而上升，在计算固体材料比热容时，两种模型均能得到应用，一般德拜模型用于处理能量较低的部分声子( 声学支) ，而爱因斯坦模型用于处理能量较高的部分声子( 光学支)Discuss thermochemistry and thermodynamics, thermochemistry and materi

21、als process (such as silicon reactions)（讨论热化学和热力学，热化学和材料加工）热化学，是指在研究化学反应、溶解过程和聚集状态改变过程所伴随的热效应的化学分支学科。在上述过程中，如果体系从环境吸热，称为吸热过程；如果体系向环境放热，则称为放热过程。按热力学规定，吸热为正；放热为负热力学是研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时系统与外界相互作用（包括能量传递和转换）的学科。工程热力学是热力学最先发展的一个分支，它主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是机械工程的重要基础学科之一。材料加工是将原料、原材料（有时加入各种添加剂、助剂或改性材料）转变成实用材料或制品的一种工程技术。优化材料的各项性能，从而满足实际工作的需要。 可以分为金属材料加工和非金属材料加工。材料在加工过程会用到很多有关热化学的知识，如通过热化学的数据推算焓变，从而判断相变能否发送。