材料科学基础第四章固体中的扩散.pptVIP

第四章 固体中原子及分子的运动 概叙 扩散的定义 4.1 表象理论 4.1.1 菲克（Fick）第一定律 讨论 4.1.2 菲克第二定律 4.1.3 扩散方程的解 问题 纯铁在920oC渗碳处理，1小时的渗碳厚度为d，要得到2d厚的渗碳层需要多长时间？ 为什么？ 已知铸锭中的枝晶间距为d，经均匀化退火后成分偏析的振幅降到1％的时间为a，现有枝晶间距为2d的铸锭，经均匀化退火后成分偏析的振幅降到1％所需的时间为多少？ 作业 纯铁在920oC渗碳处理，1小时的渗碳厚度为d，要得到2d厚的渗碳层需要多长时间？ 为什么？ 已知铸锭中的枝晶间距为d，经均匀化退火后成分偏析的振幅降到1％的时间为a，现有枝晶间距为2d的铸锭，经均匀化退火后成分偏析的振幅降到1％所需的时间为多少？并说明减少均匀化时间的最好方法是什么？ 4.1.4 置换型固溶体中的扩散 肯达尔效应的回避与应用 置换固溶体材料的制备和应用都要回避柯肯达尔效应，因为会产生孔洞。 多孔材料是利用柯肯达尔效应制备而成的。 Ti－Al体系是置换固溶体 跟柯肯达尔效益相关的扩散类型 按浓度均匀程度分： 有浓度差的空间扩散叫互扩散； 没有浓度差的扩散叫自扩散 置换型固溶体中的扩散有两种或两种以上原子的扩散，即有互扩散现象，互扩散系数为： 4.2 扩散的热力学 化学位梯度作为推动力的推导 代入 ，则 ，对距离x取偏导，则 将Fick第一定律改写为化学位的表达 ，即 与第一定律 比较，有 ，可见 （1） ，J与 方向相反，顺扩散 （2） ，J与 方向相同，逆扩散 热力学原因引起的上坡扩散 凹曲线段为顺扩散 凸曲线段（C1-C2间） C1、C2两相平均自由 能G1低于均一相C的 自由能G0，故成分C 合金分解为两个成分 不同部分，自由能降低。 其它因素引起的上坡扩散 弹性应力引起的逆扩散 弯曲固溶体，上部受拉 点阵常数增大，大原子上 移至受拉区，下部受压点 阵常数变小，小原子移向 受压区，出现逆扩散。 扩散的分类 * * Diffusion 物质的迁移方式： 对流、扩散 气体和液体中：对流和扩散 固体中：扩散 研究扩散的意义： 金属的凝固、热处理、材料的固态相变 陶瓷材料的烧结等等 扩散对材料的加工过程有重要影响 扩散对材料性能有很大的影响：高温性能：电导率 一种由于原子的热运动而引起的物质的输运过程 扩散是由于大量原子的热运 动引起的物质的宏观迁移。 主要内容： 扩散的宏观规律（动力学和热力学） 扩散的微观机制 扩散的影响因素（不同材料种类） 表象理论研究对象：固体扩散的宏观现象 表象理论研究内容： 菲克(Fick)第一定律 菲克(Fick)第二定律 1855年，菲克（Fick）获得了描述物质从高浓度区向低浓度区迁移的定量公式。 假设有一单相固溶体，横截面积为A，浓度C不均匀，在dt时间内，沿方向通过处截面所迁移的物质的量与处的浓度梯度成正比： 菲克第一定律 扩散通量(dm/Adt):单位时间内通过单位横截面的粒子数。 J表示，为矢量（因为扩散流具有方向性）量纲：粒子数/（时间.长度2）单位：粒子数/（s.m2） 常用单位是g/(cm2.s)或mol/(cm2.s) ；  D是同一时刻沿轴的浓度梯度；是比例系数，称为扩散系数。 溶质原子流动的方向与浓度降低的方向一致 扩散过程中溶质原子的分布 对于菲克第一定律，有以下三点值得注意： 是唯象的关系式，其中并不涉及扩散系统内部原子运动的微观过程。 扩散系数D反映了扩散系统的特性，并不仅仅取决于某一种组元的特性。 不仅适用于扩散系统的任何位置，而且适用于扩散过程的任一时刻。 1）稳态扩散稳态扩散是指在垂直扩散方向的任一平面上，单位时间内通过该平面单位面积的粒子数一定，即任一点的浓度不随时间而变化， 菲克第一定律 2）不稳态扩散不稳态扩散是指扩散物质在扩散介质中浓度随时间发生变化。扩散通量与位置有关。 当扩散处于非稳态，即各点的浓度随时间而改变时，菲克第一定律不适用了。 从物质的平衡关系着手，建立第二个微分方程式。 如果扩散系数与浓度无关，则可写成 菲克第二定律 在一定的边界和初始条件下，可以得到扩散方程的解。 稳定扩散 不稳定扩散中的几种简单解 对于扩散的实际问题，一般要求出穿过某一曲面（如平面、柱面、