第八章_扩散讲述.ppt

在Ⅱ面上的浓度又可表示为 或者 因此由(8.24) 所以 (8.25) (8.26) (8.27) (8.28) (8.29) z 、d是与晶体结构有关的物理量，v、p 与原子热运动有关的参量，故式8.29反映了扩散系数的微观本质。 * 由热力学可知，原子某一瞬间获得足够能量进行扩散的几率 (8.30) 式中，k ——波尔兹曼常数； q ——原子跳跃所需超额能量。 所以， (8.31) 令 (8.32) 那么 (8.33) D0称为扩散常数，D 为扩散系数。式子表明扩散系数(D) 与宏观物理量(T 、Q) 之间的关系。 * 三、影响扩散的因素 (8.33) 1. 温度 如果对式子8.33取对数，那么 (8.34) 如温度由927℃升至1027℃时，碳的扩散系数由D1200K=1.61×10-11m2s-1升至为D1300K=4.736×10-11m2s-1。 * 2. 扩散激活能 扩散激活能Q的大小直接影响扩散的难易，而Q又受扩散机制控制： 在晶体内部的扩散，间隙原子扩散激活能远小于置换原子的扩散激活能。如C在γ-Fe中扩散时Q=133,984 J/mol，而Fe在γ-Fe中的扩散，Q=276,342 J/mol。 在不改变扩散机制的情况下，Q的大小主要取决于晶体结构和原子的本性。如C在γ-Fe中扩散时，Q=133,984 J/mol，C在α-Fe中扩散时，Q=83,740 J/mol。这是因为面心立方结构比体心立方结构原子排列更紧密。如果都是面心立方结构，且都是通过空位扩散，则Q与T熔有关。 * 元素 熔点（℃） Q(J/mol） Pb 327 123 802 Al 660 13 482 Ag 961 188 415 Au 1 063 183 391 Cu 1 083 206 419 Fe 1 539 279 273 金属熔点和Q的关系 扩散类型对Q也有影响。实验表明，Ag在体扩散、晶界扩散及沿表面扩散时，自扩散激活能大致为 * 四、扩散的热力学理论驱动力和上坡扩散 菲克定律表明，扩散驱动力是浓度梯度，扩散总是向浓度低的方向进行，亦称下坡扩散。但有许多现象违背上述结论，原子扩散方向却相反，即向浓度高的方向进行，这种扩散称为上坡扩散。 固熔体中发生的熔质偏聚现象及调幅分解，都是上坡扩散的例子。实验表明，第三组元的存在也可能引起上坡扩散。 * 由钢棒（wC=0.004）与含硅的钢棒（wC=0.004，wSi=0.04）对焊起来，组成一扩散偶，经1 050℃保温13 d后，碳浓度分布曲线证明扩散偶中碳原子发生了上坡扩散。 * 根据热力学理论，扩散的真正驱动力不是浓度梯度，而是化学位梯度。 某一系统中若出现化学位随距离x的变化，则此时原子会在x方向上受到一个化学驱动力F的作用。 (8.35) 式中，μi——扩散组元的化学位； ——化学位梯度。 (8.36) 所以 组元的化学位可由其偏克分子自由能表示 (8.37) 式中，ni——组元的克分子数；ρ——克分子密度； ci——组元的体积浓度 * (8.39) (8.38) 所以 可见， 当 ＞0时，J与 方向相反，即产生沿浓度减小方向的 下坡扩散； ＜0时，J与 方向相同，即产生沿浓度减小方向的 上坡扩散。 当 * 五、反应扩散 概念：通过扩散使固熔体内的熔质组元超过固熔极限而不断形成新相的扩散过程，称为反应扩散或相变扩散。 过程：一是扩散过程；二是界面上达到一定浓度所发生相变的反应过程 特点：二元系中扩散区域不存在双相区。 举例：纯铁棒在两相区的渗碳过程 * 铁棒在912℃以下α+γ两相区温度进行渗碳： 当α-Fe中浓度为c1时，便已饱和，铁素体已不稳定，α→γ，γ成分为c2，即发生了反应扩散，在α/γ相界处 平衡； 当碳浓度cc2后，铁棒表层变为奥氏体(A)，且端部A的浓度可达到c3，离端面越远，A中浓度越低； 由图可见，γ/α相界处，有成分突变：c2→c1 在一定温度下进行的反应扩散，其表面渗层随保温时间的延长，通过新相界面的推移而不断向纵深发展。反应扩散速度取决于化学反应和原子扩散两个因素。 * 第八章 扩散　 金属学原理　 * 第八章 扩散 物质的迁移可通过对流和扩散两种方式进行。 在气体和液体中物质的迁移一般是通过对流和扩散来实现的。但在固体中不发生对流，扩散是唯一的物质迁移方式，其原子或分子由于热运动不断地从一个位置迁移到另一个位置。 扩散是物质内部热运动而导致原子或分子迁移的过程。 扩散是固体材料中的一个重要现象，诸如金属铸件的凝固及均匀化退火，冷变形金属的