[材料科学]第八章 扩散.ppt

第八章 扩散 一、扩散方程 稳态扩散与非稳态扩散 二、固溶体合金中的扩散 三、扩散的热力学 四、扩散机制 五、影响扩散的因素 六、反应扩散 七、扩散问题的实例 8.1 扩散定律 8.1.1． 稳态扩散下的菲克第一定律（一定时间内，浓度不随时间变化dc/dt=0） 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（扩散通量）与该面积处的浓度梯度成正比 即J=－D（dc/dx） 其中D：扩散系数，cm2/s，J：扩散通量，g/cm2·s 式中负号表明扩散通量的方向与浓度梯度方向相反。 可见，只要存在浓度梯度，就会引起原子的扩散，即只要材料中有浓度梯度，扩散就会由高浓度区向低浓度区进行，而且扩散通量与浓度梯度成正比 8.1.3扩散方程在生产中的应用举例 1：扩散方程在渗碳中的应用 把低碳钢制的零件放在渗碳介质中渗碳 半无限大物体中的扩散，x 近似∞ 这种情况相当于无限大情况下半边的扩散情况， 初始条件: t=0时，x≥0，C=0 边界条件:t＞0时，x=0，C=C0，x=∞，C=0 可解得方程的解 C0为原始浓度；Cs为渗碳气氛浓度Cx为距表面x处的浓度； 为误差函数 Fick第二定律的解无限大物体中扩散应用 2.扩散方程在扩散退火过程的应用 显微偏析是合金在结晶过程中形成的，在铸件，锻件中普遍存在。扩散退火时将零件在高温下长时间保温可促使成分的均匀化。 具有显微偏析的合金其组元分布大多呈周期性变化。 在研究扩散退火过程时，可以近似为 在给定条件下Cm，D, l 皆为定值。只有当 时 才完全均匀化，可见所谓均匀化只有相对意义。一般来说，只有偏析衰减到一定程度（如 ），即可认为均匀化了。凝固过程细化晶粒，及通过锻造、轧制、热处理使组织充分细化都可以大大缩短均匀化退火时间  Fick第二定律的解无限大物体中扩散应用 如一根长的纯铁一端放在碳浓度Co不变的气氛中，铁棒端部碳原子达到Co后，同时向右经铁棒中扩散的情形 试验结果与计算结果符合很好 8.1.4扩散的驱动力及上坡扩散 菲克定律指出扩散总是向浓度降低的方向进行的。但实际上有好多情况，扩散是由低浓度向高浓度进行的。如固溶体中某些元素的偏聚或调幅分析。这种扩散称为饿“上坡扩散”。上坡扩散说明从本质上来说浓度梯度并非扩散的驱动力。 扩散驱动力 扩散的驱动力F是化学势梯度 。 其值可从化学势对距离的求导中得到, 即：式中负号表示驱动力与化学势下降方向一致，即扩散总是向化学位减小的方向进行。 8.2 扩散机制 扩散机制：均匀固溶体中间隙机制和空位机制最主 要。 8.2.1 间隙扩散 在间隙固溶体中原子的扩散是从一个间隙位置跃迁至另一间隙位置，发生间隙扩散 。如小尺寸溶质原子C、N、H、B、O， 间隙原子跃迁，从一个间隙到另一个间隙需克服势垒 下图为面心立方结构的（100）晶面及该晶面上的八面体间隙。间隙原子从间隙1向间隙2跳动时必须把原子3，4推开，从它们之间挤过去。即间隙原子在跳动时必须克服一个势垒。图b间隙原子从位置1跳到位置2必须越过的势垒是ΔG=G2-G1，只有ΔG大于0的原子才能跳动。  自扩固态金属中，溶剂原子偏离平衡位置，发生迁移的现象 1．柯肯达尔效应 置换式固溶体中，溶质、溶剂原子大小相近，具有相近的迁移率，在扩散中,溶质、溶剂原子同时扩散的现象。 柯肯达尔最先发现互扩散，在α黄铜—铜扩散偶中，用钼丝作为标志，785℃下保温不同时间后，钼丝向黄铜内移动，移动量与保温时间的平方根成正比。 互扩散——柯肯达尔效应 若DCu=DZn，Zn向Cu中的扩散与Cu向α黄铜中扩散原子数相等，锌原子尺寸大于铜原子尺寸，扩散后造成点阵常数变化使钼丝移动量，只相当于实验值的1/10，故点阵常数变化不是引起钼丝移动的唯一原因，即铜扩散系数DCu不可能与DZn相等，只能是DZnDcu 。  进一步研究发现，Cu-黄铜分界面黄铜侧出现宏观疏孔，这是由于扩散中黄铜中Zn向铜中扩散量大于Cu原子从铜向黄铜中扩散量，黄铜中空位数多，超过平衡浓度，空位部分聚集形成疏松，这说明在置换式固溶体中扩散的主要机制是空位扩散。 Cu-Au、Cu-Ni、Cu-Sn、Ni-Au、Ag-Cu、Ag-Zn中均有此现象。  扩散途径: 晶体点阵中的扩散途径