材料熱力學作業(yè)

1、1、 什么是熱力學？動力學？熱力學是研究熱現象中物質系統(tǒng)在平衡時的性質和建立能量的平衡關系，以及狀態(tài)發(fā)生變化時系統(tǒng)與外界相互作用（包括能量傳遞和轉換）的學科。工程熱力學是熱力學最先發(fā)展的一個分支，它主要研究熱能與機械能和其他能量之間相互轉換的規(guī)律及其應用，是機械工程的重要基礎學科之一。熱力學（thermodynamics）是自然科學的一個分支，主要研究熱量和功之間的轉化關系。熱力學是研究物質的平衡狀態(tài)以及與準平衡態(tài)，以及狀態(tài)發(fā)生變化時系統(tǒng)與外界相互作用（包括能量傳遞和轉換）的物理、化學過程的學科。熱力學適用于許多科學領域和工程領域，如發(fā)動機，相變，化學反應，甚至黑洞等等。熱力學，全稱熱動力學，

2、是研究熱現象中物態(tài)轉變和能量轉換規(guī)律的學科；它著重研究物質的平衡狀態(tài)以及與準平衡態(tài)的物理、化學過程。熱力學是熱學理論的一個方面。熱力學主要是從能量轉化的觀點來研究物質的熱性質，它揭示了能量從一種形式轉換為另一種形式時遵從的宏觀規(guī)律。熱力學是總結物質的宏觀現象而得到的熱學理論，不涉及物質的微觀結構和微觀粒子的相互作用。因此它是一種唯象的宏觀理論，具有高度的可靠性和普遍性。熱力學三定律是熱力學的基本理論。熱力學定律* 熱力學第零定律：說明熱平衡和溫度的關系。* 熱力學第一定律：能量守恒定律的一種特殊形式在一個封閉系統(tǒng)里，所有種類的能量，形式可以轉化，但既不能憑空產生，也不會憑空消失。* 熱力學第二

3、定律：孤立系統(tǒng)熵(失序)不會減少簡言之，熱不能自發(fā)的從冷處轉到熱處，任何高溫的物體在不受熱的情況下，都會逐漸冷卻。* 熱力學第三定律：不可能以有限程序達到絕對零度換句話說，絕對零度永遠不可能達到。動力學（Dynamics）是經典力學的一門分支，主要研究運動的變化與造成這變化的各種因素。換句話說，動力學主要研究的是力對于物體運動的影響。運動學則是純粹描述物體的運動，完全不考慮導致運動的因素。 更仔細地說，動力學研究由于力的作用，物理系統(tǒng)怎樣隨著時間的演進而改變。動力學的基礎定律是艾薩克·牛頓提出的牛頓運動定律。對于任意物理系統(tǒng)，只要知道其作用力的性質，引用牛頓運動定律，就可以研究這作用

4、力對于這物理系統(tǒng)的影響。 在經典電磁學里，物理系統(tǒng)的動力狀況涉及了經典力學與電磁學，需要使用牛頓運動定律、麥克斯韋方程、洛倫茲力方程來描述。自20世紀以來，動力學又常被人們理解為側重于工程技術應用方面的一個力學分支。動力學是機械工程與航空工程的基礎課程。動力學的基本內容包括質點動力學、質點系動力學、剛體動力學、達朗貝爾原理等。以動力學為基礎而發(fā)展出來的應用學科有天體力學、振動理論、運動穩(wěn)定性理論，陀螺力學、外彈道學、變質量力學，以及正在發(fā)展中的多剛體系統(tǒng)動力學、晶體動力學等。2. 材料熱力學是從能量角度研究材料，試舉出和你研究領域相近的兩種應用熱力學理論來研究材料的例子。1. Nb表面合金化對

5、Ti6Al4V腐蝕行為的影響，鈦合金具有比強度高等特性,是適合于航空航天等領域應用的先進材料.然而未加處理的鈦合金通常存在耐磨性差及高溫易氧化等問題,無法滿足應用要求.此外,鈦合金在大氣、海水等一般環(huán)境下具有較強的耐蝕性,但是在一些特殊介質里,如還原性酸中容易受到腐蝕.為了解決上述問題,適當的表面改性處理是十分必要的.因此鈦合金表面改性技術近年來成為材料科學熱點研究領域之一.鈦合金中加入鈮元素可顯著提高耐蝕性及高溫抗氧性能.Ti-45 Nb就是一種新型耐蝕鈦合金采用雙輝技術在Ti6Al4V合金表面進行Nb表面合金化處理,形成具有類似Ti45 Nb成分的表面Ti-Nb合金層,提高其抗蝕性及高溫抗

6、氧化性能,同時又保留了基體材料比強度高的特性.基體Ti6Al4V和Ti-Nb合金層在5%H2SO4溶液中電化學腐蝕極化曲線如圖4所示.由圖4可以看出Ti-Nb合金層較基體Ti6Al4V自腐蝕電位提高約400mV,從電化學腐蝕熱力學角度表明Ti-Nb合金層抗腐蝕能力提高了.由陽極極化曲線看出,兩者趨勢是一樣的,都發(fā)生了鈍化.圖5是基體Ti6Al4V和Ti-Nb合金層在5%HCl溶液中電化學腐蝕極化曲線.由圖可以看出Ti-Nb合金層較基體Ti6Al4V自腐蝕電位提高約60 mV,從熱力學角度表明抗腐蝕能力提高了.基體Ti6Al4V和Ti-Nb合金層陽極極化曲線基本相似,均表現為電流密度隨著電位的升

7、高而增大,它沒有發(fā)生鈍化現象,始終處于活性溶解區(qū)由圖6可以看出Ti-Nb合金層在315%NaCl溶液中較基體Ti6Al4V自腐蝕電位提高約160 mV,表明Nb表面合金化后增加了Ti6Al4V熱力學穩(wěn)定性,耐蝕性提高.由Ti6Al4V陽極極化曲線看出,電流密度隨著電位的升高而增大,也就是說它沒有發(fā)生鈍化現象,始終處于活性溶解區(qū);由Ti-Nb合金層陽極極化曲線可以看出,在0121 V0139 V左右發(fā)生鈍化,在電位達113 V之后,發(fā)生二次鈍化,說明Ti-Nb合金層在3. 5%NaCl水溶液中出現鈍化膜破裂后自修復的現象。結論：電化學腐蝕研究表明:在5% H2SO4、5% HCl、3.5%NaC

8、l溶液中Ti-Nb合金層較基體Ti6Al4V抗腐蝕能力有一定的提高。2.分析法基于溶液電化學性質的化學分析方法。電化學分析法是由德國化學家C.溫克勒爾在19世紀首先引入分析領域的，儀器分析法始于1922年捷克化學家 J.海洛夫斯基建立極譜法 。電化學分析法的基礎是在電化學池中所發(fā)生的電化學反應。電化學池由電解質溶液和浸入其中的兩個電極組成，兩電極用外電路接通。在兩個電極上發(fā)生氧化還原反應，電子通過連接兩電極的外電路從一個電極流到另一個電極。根據溶液的電化學性質（如電極電位、電流、電導、電量等）與被測物質的化學或物理性質（ 如電解質溶液的化學組成 、濃度、氧化態(tài)與還原態(tài)的比率等）之間的關系，將被

9、測定物質的濃度轉化為一種電學參量加以測量。根據國際純粹化學與應用化學聯(lián)合會倡議，電化學分析法分為三大類：既不涉及雙電層，也不涉及電極反應，包括電導分析法、高頻滴定法等。涉及雙電層，但不涉及電極反應，例如通過測量表面張力或非法拉第阻抗而測定濃度的分析方法。涉及電極反應，又分為兩類：一類是電解電流為0，如電位滴定；另一類是電解電流不等于0，包括計時電位法、計時電流法、陽極溶出法、交流極譜法、單掃描極譜法、方波極譜法、示波極譜法、庫侖分析法等。 3.金屬的防腐蝕問題，大部分金屬腐蝕是電化學腐蝕問題。根據電化學腐蝕原理，依靠外部電流的流入改變金屬的電位，從而降低金屬腐蝕速度的一種材料保護技術。按照金屬

10、電位變動的趨向，電化學保護分為陰極保護和陽極保護兩類。陰極保護。通過降低金屬電位而達到保護目的的，稱為陰極保護。根據保護電流的來源，陰極保護有外加電流法和犧牲陽極法。外加電流法是由外部直流電源提供保護電流，電源的負極連接保護對象，正極連接輔助陽極，通過電解質環(huán)境構成電流回路。犧牲陽極法是依靠電位負于保護對象的金屬（犧牲陽極）自身消耗來提供保護電流，保護對象直接與犧牲陽極連接，在電解質環(huán)境中構成保護電流回路。陰極保護主要用于防止土壤、海水等中性介質中的金屬腐蝕。陽極保護。通過提高可鈍化金屬的電位使其進入鈍態(tài)而達到保護目的的，稱為陽極保護。陽極保護是利用陽極極化電流使金屬處于穩(wěn)定的鈍態(tài)，其保護系統(tǒng)

11、類似于外加電流陰極保護系統(tǒng)，只是極化電流的方向相反。只有具有活化 - 鈍化轉變的腐蝕體系才能采用陽極保護技術，例如濃硫酸貯罐、氨水貯槽等。3. 你研究課題的研究內容是什么，擬用幾種分析、檢測方法，課題研究中有無熱力學現象，試簡單介紹。課題： TiNi合金表面雙輝等離子滲Mo合金化后的表面結構和性能采用雙輝等離子表面合金化技術對TiNi合金進行表面滲鉬合金化處理；采用光學顯微鏡、輝光放電光譜儀和掃描電鏡對合金化試樣的截面及表面進行表征，采用顯微硬度計、硬度計、往復磨損試驗機及白光干涉儀對合金化試樣的表面硬度、結合強度及摩擦學性能進行了測試。采用電化學測試對表面耐蝕性能進行研究。金相分析是金屬材料

12、試驗研究的重要手段之一，采用定量金相學原理，由二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測量和計算來確定合金組織的三維空間形貌，從而建立合金成分、組織和性能間的定量關系。將計算機應用于圖像處理，具有精度高、速度快等優(yōu)點，可以大大提高工作效率。計算機定量金相分析正逐漸成為人們分析研究各種材料，建立材料的顯微組織與各種性能間定量關系，研究材料組織轉變動力學等的有力工具。采用計算機圖像分析系統(tǒng)可以很方便地測出特征物的面積百分數、平均尺寸、平均間距、長寬比等各種參數，然后根據這些參數來確定特征物的三維空間形態(tài)、數量、大小及分布，并與材料的機械性能建立內在聯(lián)系，為更科學地評價材料、合理地使用材料提供可靠的數

13、據。輝光放電光譜儀：主要用途：² 導電材料和非導電材料的基體、鍍層（涂層）中的化學元素含量分析；² 熱處理工件（滲碳、滲氮）等的元素深度定量分析；² 導電材料表面覆蓋有一層或多層導電或不導電鍍層（涂層）中化學元素的分析;² 非導體材料表面覆蓋有一層或多層導電或不導電鍍層（涂層）中化學元素的分析;掃描電鏡：掃描電子顯微鏡的制造是依據電子與物質的相互作用。當一束高能的入射電子轟擊物質表面時，被激發(fā)的區(qū)域將產生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產生的電磁輻射。同時，也可產生電子-空穴對、晶格振動 （

14、聲子）、電子振蕩 （等離子體）。原則上講，利用電子和物質的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學性質的信息，如形貌、組成、晶體結構、電子結構和內部電場或磁場等等。1顯微結構的分析在陶瓷的制備過程中，原始材料及其制品的顯微形貌、孔隙大小、晶界和團聚程度等將決定其最后的性能。掃描電子顯微鏡可以清楚地反映和記錄這些微觀特征，是觀察分析樣品微觀結構方便、易行的有效方法，樣品無需制備，只需直接放入樣品室內即可放大觀察；同時掃描電子顯微鏡可以實現試樣從低倍到高倍的定位分析，在樣品室中的試樣不僅可以沿三維空間移動，還能夠根據觀察需要進行空間轉動，以利于使用者對感興趣的部位進行連續(xù)、系統(tǒng)的觀察分析。掃

15、描電子顯微鏡拍出的圖像真實、清晰，并富有立體感，在新型陶瓷材料的三維顯微組織形態(tài)的觀察研究方面獲得了廣泛地應用。由于掃描電子顯微鏡可用多種物理信號對樣品進行綜合分析，并具有可以直接觀察較大試樣、放大倍數范圍寬和景深大等特點，當陶瓷材料處于不同的外部條件和化學環(huán)境時，掃描電子顯微鏡在其微觀結構分析研究方面同樣顯示出極大的優(yōu)勢。主要表現為： 力學加載下的微觀動態(tài) （裂紋擴展）研究 ；加熱條件下的晶體合成、氣化、聚合反應等研究 ；晶體生長機理、生長臺階、缺陷與位錯的研究； 成分的非均勻性、殼芯結構、包裹結構的研究； 晶粒相成分在化學環(huán)境下差異性的研究等。2納米尺寸的研究納米材料是納米科學技術最基本的

16、組成部分，可以用物理、化學及生物學的方法制備出只有幾個納米的“顆粒 ”。納米材料的應用非常廣泛，比如通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蝕等優(yōu)點，納米陶瓷在一定的程度上也可增加韌性、改善脆性等，新型陶瓷納米材料如納米稱、納米天平等亦是重要的應用領域。納米材料的一切獨特性主要源于它的納米尺寸，因此必須首先確切地知道其尺寸，否則對納米材料的研究及應用便失去了基礎?？v觀當今國內外的研究狀況和最新成果,該領域的檢測手段和表征方法可以使用透射電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等技術，但高分辨率的掃描電子顯微鏡在納米級別材料的形貌觀察和尺寸檢測方面因具有簡便、可操作性強的優(yōu)勢被大量采用。另外如果將掃描

17、電子顯微鏡與掃描隧道顯微鏡結合起來，還可使普通的掃描電子顯微鏡升級改造為超高分辨率的掃描電子顯微鏡。3鐵電疇的觀測壓電陶瓷由于具有較大的力電功能轉換率及良好的性能可調控性等特點在多層陶瓷驅動器、微位移器、換能器以及機敏材料與器件等領域獲得了廣泛的應用。隨著現代技術的發(fā)展，鐵電和壓電陶瓷材料與器件正向小型化、集成化、多功能化、智能化、高性能和復合結構發(fā)展，并在新型陶瓷材料的開發(fā)和研究中發(fā)揮重要作用。鐵電疇 （簡稱電疇）是其物理基礎，電疇的結構及疇變規(guī)律直接決定了鐵電體物理性質和應用方向。電子顯微術是觀測電疇的主要方法，其優(yōu)點在于分辨率高，可直接觀察電疇和疇壁的顯微結構及相變的動態(tài)原位觀察 （電疇

18、壁的遷移）。掃描電子顯微鏡觀測電疇是通過對樣品表面預先進行化學腐蝕來實現的，由于不同極性的疇被腐蝕的程度不一樣，利用腐蝕劑可在鐵電體表面形成凹凸不平的區(qū)域從而可在顯微鏡中進行觀察。因此，可以將樣品表面預先進行化學腐蝕后，利用掃描電子顯微鏡圖像中的黑白襯度來判斷不同取向的電疇結構。對不同的鐵電晶體選擇合適的腐蝕劑種類、濃度、腐蝕時間和溫度都能顯示良好的疇圖樣。在實際分析工作中，往往在獲得形貌放大像后，希望能在同一臺儀器上進行原位化學成分或晶體結構分析，提供包括形貌、成分、晶體結構或位向在內的豐富資料，以便能夠更全面、客觀地進行判斷分析。為了適應不同分析目的的要求，在掃描電子顯微鏡上相繼安裝了許多

19、附件，實現了一機多用，成為一種快速、直觀、綜合性分析儀器。把掃描電子顯微鏡應用范圍擴大到各種顯微或微區(qū)分析方面，充分顯示了掃描電鏡的多種性能及廣泛的應用前景。目前掃描電子顯微鏡的最主要組合分析功能有:X射線顯微分析系統(tǒng)（即能譜儀,EDS），主要用于元素的定性和定量分析，并可分析樣品微區(qū)的化學成分等信息；電子背散射系統(tǒng) （即結晶學分析系統(tǒng)），主要用于晶體和礦物的研究。隨著現代技術的發(fā)展，其他一些掃描電子顯微鏡組合分析功能也相繼出現，例如顯微熱臺和冷臺系統(tǒng)，主要用于觀察和分析材料在加熱和冷凍過程中微觀結構上的變化；拉伸臺系統(tǒng)，主要用于觀察和分析材料在受力過程中所發(fā)生的微觀結構變化。掃描電子顯微鏡與其他設備組合而具有的新型分析功能為新材料、新工藝的探索和研究起到重要作用。成像二次電子和背散射電子可以用于成像，但后者不如前者，所以通