物理讲稿第5章案例.ppt

第5章　材料的固态扩散 (Diffusion in solid materials) 扩散：物质中原子或分子迁移的现象。 扩散的重要性：金属铸件的均匀化、陶瓷的烧结、扩散型固态相变过程、表面合金化、冷变形金属的回复、再结晶等都与扩散密切相关。 5.1 扩散动力学 (Kinetics of the diffusions) 5. 1. 1 菲克第一定律 (The first diffusion law) 菲克第一定律(扩散第一定律，扩散第一方程) J：扩散通量，即单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量。C：体积浓度。 应用举例 测定碳在? -Fe中的扩散系数： q可由筒外流出气体的增碳量测出，l，t已知，将圆筒淬火可测筒壁各点的浓度，做出C－lnr曲线，可知各点的 因此D可求出。 5. 1. 2 菲克第二定律 (The second diffusion law) 1 菲克（扩散）第二定律（扩散第二方程）推导 实际扩散过程多为非稳态扩散，此时只有用菲克第二定律才能解决。 物质流入速率：J1A， 若假定D与浓度无关，则： 即扩散第二定律。 2 扩散第二方程的求解 胡111表3－1 3 无限长棒扩散偶的求解 将浓度分别为C1，C2 (C2＞C1)的两无限长棒焊成扩散偶 将初始条件代入（1）式，有： 在x=0处 渗碳目的： 表面希望耐磨——高硬度（高碳） 心部希望高韧性——低碳 用低碳钢渗碳可同时满足两方面的要求 ——化学热处理（表面合金化） 可解得： 对纯铁渗碳，C1=0，有 5. 2 扩散机制 (Mechanism of the diffusions) 由扩散第一定律：扩散速度取决于扩散系数D和浓度梯度。后者取决于浓度分布，因此扩散快慢主要取决于D。 扩散系数D可用下式表达 5. 2. 1 间隙扩散 (Interstitial diffusion) 间隙固溶体发生间隙扩散时，溶质原子要从一个间隙位置跳到另一间隙位置： 原子1跳至2位置，必须推开3、4原子，使晶格发生瞬时畸变，这应变能就是跳动的阻力。 间隙原子跳动时必须克服的能垒G2－G1，所以只有自由能超过G2的原子才能跳动。 在某温度T，由麦克斯韦-波尔兹曼定律，N个原子中自由能大于G2的原子数为： 即具有跳动条件的原子的分数。其中?G为能垒。 间距为a的平行晶面I, II，其单位面积上的溶质原子数分别为n1, n2。 每个溶质原子在单位时间内的跳动次数即跳动频率为Г，原子由I面跳至II面或II面跳至I面的几率均为P，则在?t时间内由I→II和II→I的原子数为： 设n1＞n2，则II面上单位面积上积存的溶质原子 设原子振动频率为?，溶质原子最近邻的间隙数为Z，则 5. 2. 2 置换扩散 (Substitutional diffusion) Kirkendall等将纯铜块和纯镍块对焊，焊缝上嵌入钨丝。长时间加热，使Cu与Ni互扩散，其成分分布如图示。 Ni与Cu原子半径差很小，原子半径差不足以引起一边伸长，一边缩短，所以只能是扩散到左面的Ni多，扩散到右边的Cu少。 最初：认为置换扩散为协同跳动机制。如直接换位与环形换位。 以原子跳动到邻近空位的方式进行，所需能量不大。 实现空位扩散的条件：扩散原子近邻有空位，此原子具有克服到空位的能垒的自由能。 某些扩散系统的D0与Q 5. 2. 3 晶界扩散和位错扩散 (Diffusions along grain boundaries and dislocations) 研究的困难：大角晶界的结构不清楚，且不可能制成单纯是晶界的试样研究晶界处的扩散。研究方法：放射性同位素用示踪原子法。 晶界上原子排列不规则，能量较高，晶界上原子跳动频率大，扩散激活能小。 结论仅适用于纯金属和置换固溶体。间隙固溶体溶质原子小，易于扩散，晶界与晶内差别不大。 位错对扩散的作用与晶界类似，也难于研究。 5. 3 上坡扩散 (Uphill diffusion) 现象举例 溶质原子从低浓度处向高浓度处进行的扩散。 扩散驱动力不是浓度梯度。 只有在扩散体系中仅有浓度梯度，而其他因素都是均匀的情况下，才能保证化学位梯度与浓度梯度的方向一致，此时扩散第一定律才是正确的。 若某原子移动了一个位置dx，其自由能（化学位）?i改变了d?i，与下落造成的势能变化相似。 弹性应力作用：大尺寸的原子向点阵膨胀的部分移动，小尺寸的原子向点阵收缩的部分移动。 晶界内吸附：如果溶质原子富集于晶界时可降低体系的总能量，溶质原子就会向晶界扩散。 大电场 元素偏聚 相变： 调幅分解就是由上坡扩散引起溶质的偏聚分成了高浓度相和低浓度相。 析出就是溶质在固溶体中聚集形成高浓度区后才会出现新相。 5. 4 影响扩散的