哈工大崔忠圻老师金属学与热处理课件第七章扩散概要.ppt

第七章 扩散 3 扩散的条件 ① 存在扩散驱动力——热力学条件 梯度：化学位、温度、应力、 电场、磁场等 ② 扩散原子与基体有固溶性——前提条件 ③ 足够高温度——动力学条件： ④ 足够长时间 —宏观迁移的动力学条件 4 固态扩散的分类 通常扩散伴随浓度变化, 且高浓度→低浓度 但实际上：并非一定如此 固态扩散的分类 根据扩散中是否发生浓度变化分类 ① 自扩散——扩散中无浓度变化 ——纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长大 ——扩散与浓度梯度无关 互(异)扩散——伴随有浓度变化的扩散 ——不均匀固溶体均匀化过程中异类原子的相对扩散、互相渗透过程 ——扩散与浓度梯度有关，又称化学扩散 根据扩散方向是否与浓度梯度的方向相同分类 ① 下坡扩散——沿浓度降低的方向扩散，即原子由高浓度区向低浓度区扩散。 ——不均匀固溶体均匀化过程、渗碳等。 上坡扩散——沿浓度升高的方向扩散，即原子由低浓度区向高浓度区扩散。 根据扩散中是否析出新相分类 ① 原子扩散——无新相产生。 反应扩散——扩散中有新相产生。 5 扩散定律 一、 扩散第一定律 ——菲克第一定律 J = - D·dC/dx J ：扩散通量，(g/c㎡·s) D：扩散系数(c㎡/s)； dC/dx：浓度梯度 适于稳态扩散，正比；dC/dt=0 二 、 扩散第二定律（菲克第二定律） 非稳态： C（x，t） 或dC/dt≠0 右图，物质的积存速率： —— 扩散第二定律(菲克第二定律) 适于非稳态即dC/dt≠0 扩散第二定律（菲克第二定律）表达式: 6 影响扩散的因素 J = - D·dC/dx → D； dC/dx D = D0·exp(-Q/RT) (1) 温度： T↑，D↑ ——指数关系， 原因：振动↑，能量起伏↑；空位↑， (2) 基体的组织结构 结构类型： 致密型 Q↑，D↓。 例如：Dα -Fe ≈240Dγ-Fe (912℃) ; 固溶体相类型： 间隙式置换式 —— Q 小 思考1： 渗碳应当在α-Fe中还是在γ-Fe中进行？ (3) 合金元素 A、影响基体点阵中原子间结合力，进而影响原子的扩散激活能Q，影响D。 通常：若熔点或液相线↑则Q ↑，D↓ B、合金元素对钢中碳扩散系数的影响 ——是否形成碳化物 * * 本章重点 : (1) 扩散的概念与本质 (2) 固态金属扩散的条件 (3) 影响扩散的因素 定义： 物质中原子或分子通过无规运动导致宏观迁移与传质的现象。 └ 移动距离超过平均原子间距 扩散现象：柯肯达尔效应（P214） 物质传输方式： 气、液 ： 扩散 固 ： 扩散 —— 唯一机制 1 扩散定义与本质 对流、 本质： 大量原子不断克服原子之间 能垒，跃迁到邻近位置，实现宏观的物质迁移过程。 阻 力：邻近原子间势能垒 驱动力：热振动原子的能量起伏 ——与温度有关 Q 2 扩散机制 (1) 换位扩散 —主要机制 —小原子 ——难 (2) 空位扩散 (3) 间隙扩散 例如： 纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长大(晶界的迁移)——扩散中无浓度变化； 又如： 奥氏体转变为珠光体时： 奥氏体转变为渗碳体时碳由低浓度的奥氏体向高浓度的渗碳体扩散 ——扩散的种类（类型）不同 要点：扩散的驱动力——化学位梯度，因多数情况下化学位梯度与浓度梯度方向一致，故看起来扩散方向似顺着浓度梯度方向。 —— 温度、应力、电场、磁场等 x C Ⅰ Ⅱ C1 C2 dx J x x+dx 在微小体积Adx内用体积浓度C的变化率表示物质积存速率： 化简： 将扩散第一定律J = - D·dC/dx代入： 得： 当D为常数时(与浓度无关)： D为常数时： 注意： (1) 非稳态扩散——普遍、通用的扩散方程 (2) 求解难：须对具体扩散条件进行分析后，通过建立边界条件、初始条件以及C 表达式的推测，