《材料科学基础教学资料》第四章.pptVIP

第四章 固体中原子及分子的运动 概述 扩散现象： 例如在房间的某处打开一瓶香水，慢慢在其他地方可以闻到香味； 在清水中滴入一滴墨水，在静止的状态下可以看到它慢慢的扩散。 概述 在固体材料中也存在扩散，并且它是固体中物质传输的唯一方式。因为固体不能象气体或液体那样通过流动来进行物质传输。即使在纯金属中也同样发生扩散，用参入放射性同位素可以证明。扩散在材料的生产和使用中的物理过程有密切关系，例如：凝固、偏析、均匀化退火、冷变形后的回复和再结晶、固态相变、化学热处理、烧结、氧化、蠕变等等。 扩散的基本概念 扩散框架图 扩散的基本概念 扩散的概念：当物质内有梯度（化学位、浓度、应力梯度等）存在时，由于物质的热运动而导致质点的定向迁移过程。 扩散的宏观表现是物质的定向输送—表象理论 从宏观的角度描述扩散流量（单位时间通过单位面积的物质量）和导致扩散流的热力学力之间的关系。这种关系的线性比例系数称唯象系数。再根据物质守恒，导出物质浓度随时间变化的微分方程。当知道了唯象系数，根据一定的边界条件可以解出（解析解或数值解）某一瞬间的浓度场。 扩散的本质是质点的热运动—原子理论 微观描述：主要是描述扩散过程的原子机制，即原子以什么方式从一个平衡位置跳到另一个平衡位置的。 本章内容 ? 扩散的表象理论 菲克第一、第二定律 ? 扩散的热力学分析 上坡、下坡扩散的判别条件 ? 置换固溶体中的扩散 柯肯达尔效应，互扩散系数 ? 扩散的原子理论 ? 扩散激活能 ? 无规则行走与扩散距离 ? 影响扩散的因素 ? 反应扩散 ? 离子晶体中的扩散 ? 高分子的分子运动 菲克第一定律 Fick’s first law 在高浓度区， 小，则D大， 在低浓度区， 大，则D小。 例如： 由该实验测得，在1000℃时，碳在γ铁中的扩散系数 碳的质量分数为0.15％时，D＝2.5×10-11m2/s； 碳的质量分数为1.4％时，D＝7.7×10-11m2/s。 菲克第一定律可用来处理扩散中浓度不因时间变化的问题，如有些气体在金属中的扩散。 菲克第二定律 Fick’s second law 扩散方程的解 如图所示，将质量浓度分别为ρ2和ρ1的A棒、B棒焊接在一起，然后加热保温不同时间，焊接面（x＝0）附近的质量浓度将发生变化。假定试棒足够长以至保证扩散偶两端始终维持原浓度。，可确定方程的初始条件和边界条件分别为： 高斯误差函数 解微分方程，得质量浓度ρ随距离x和时间t变化的解析式为： 2. 一端成分不受扩散影响的扩散体 原始碳质量浓度为ρ0的渗碳零件可被视为半无限长的扩散体，即远离渗碳源的一端的碳质量浓度在整个渗碳过程中始终保持ρ0的碳质量浓度，由此，可列出： 渗碳实例 例 碳质量分数为0.1％的低碳钢，置于碳质量分数为1.2％的渗碳气氛中，在920℃下进行渗碳，如要求离表面0.002m处碳质量分数为0.45％，问需要多少渗碳时间？ 解 已知碳在γ-Fe中920℃时的扩散系数D＝ 2.5×10-11m2/s，可得 设低碳钢的密度为ρ，上式左边的分子和分母同除以ρ，可将质量浓度转换成质量分数，得 代入数值，可得 由误差函数表可查得： 由上述计算可知，当指定某质量浓度ρ（x，t）为渗碳层深度x的对应值时，误差函数 为定值，因此渗碳层深度x和扩散时间t有以下关系： 式中，A和B为常数。由上式可知，若要渗碳层深度x增加1倍，则所需的扩散时间为原先的4倍。 1 对于同一扩散系统、扩散系数D与扩散时间t的乘积为一常数。 例题1：已知Cu在Al中扩散系数D，在500℃和600℃分别为4.8×10-14m2s-1和5.3×10-13m2s-1，假如一个工件在600℃需要处理10h，若在500℃处理时，要达到同样的效果，需要多少小时？（需110.4小时） 2 对于钢铁材料进行渗碳处理时，x与t的关系是t ? x2。 例题2：假设对－Wc 0.25%的钢件进行渗碳处理，要求渗层0.5㎜处的碳浓度为0.8%，渗碳气体浓度为Wc 1.2%，在950℃进行渗碳，需要7小时，如果将层深厚度提高到1.0㎜，需要多长时间？（需要28小时） 3. 衰减薄膜源 在金属B的长棒一端沉积一薄层金属A，将这样的两个样品连接起来，就形成在两个金属B棒之间的金属A薄膜源，然后将此扩散偶进行扩散退火，在金属A在金属B棒中的浓度随退火时间的变化为： 应用 衰减薄膜扩散源常被用于失踪原子测定金属的自扩散系数。通过测定同位素A*在没有浓度梯度情况下的扩散系数，就可以得到元素A的自扩散系数。 成分偏析的均匀化 固溶体合金在非平衡凝固条件下，晶内会出现枝晶偏析,由此对合金性能产生不利的影响。通常需通过均匀化扩散退火来削弱这种影响。这种均匀扩散退火过程中组元浓度的变化可用