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扩散原理及组织观察 一、实验目的 1.熟悉扩散方程及其应用 2.熟悉渗碳层组织及渗层测定方法 二、实验原理 扩散是物质中原子（或分子）的迁移现象，是物质传输的一种方式。金属与合金的熔炼及结晶，偏析与均匀化，钢及合金的各种热处理和焊接，加热过程中的氧化和脱碳，冷变形金属的回复与再结晶等都同扩散有关。 对于不同晶体结构的金属材料来说，原子的跳动方式可能不同，即扩散的机理可能随晶体结构的不同而变化。具体有以下几种扩散机理：间隙扩散机理、换位扩散机理、空位扩散机理。 （一）扩散定律及应用 1．菲克第一定律 在扩散过程中，在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散流量J与浓度梯度成正比。起数学表达式为： J=-D 式中，J为扩散流量；D为扩散系数；为体积浓度梯度，负号表示物质的扩散流方向与浓度梯度方向相反。 2．菲克第二定律 所谓非稳定态扩散，是指在扩散过程中，各处的浓度梯度不仅随着距离变化，而且还随时间发生变化。 菲克第二定律的数学表达式为： 如果扩散系数D与浓度无关而为常数，则上式可写为 3．扩散定律在渗碳中的应用 钢的渗碳过程是扩散定律典型的例子之一。钢在恒定气氛（或固态介质）中的渗碳，可以看作半无限长情况，并假定试样表面在渗碳一开始即达到恒定渗碳浓度Cs 。因此 ，在边界条件下 C（x=0，t）=Cs ；C（x=∞，t）=C。（钢的起始含碳量）以及初始条件C（x，t=0）=C。菲克第二定律的解为，为误差函数。假定将渗层深度定义为碳浓度大于某一值Cc处钢棒表层深度，此时上式可写作。可以看出等式的左端为定值，这表明对于Cc为任一规定值时，为定值。这样可得到渗层深度与扩散时间的关系式 ，式中k为常数。 已知碳在γ-Fe中的扩散系数, 其中D。=2.0×10-5m/s, 扩散激活能Q=1.4×105 J/mol, 气体常数R=8.412 J/mol·K。因此，通过测定不同渗碳时间后的渗层深度，可以计算出常数K，从而建立渗碳时间的方程。 （二）渗碳层组织及测量方法 渗碳层的碳浓度分布和金相组织变化情况如下图所示： Ⅰ：过共析层（珠光体+碳化物） Ⅱ：共析层（珠光体） Ⅲ：过渡层（珠光体+铁素体） Ⅳ：原始组织（铁素体+珠光体） XK——渗碳层厚度（毫米） 渗碳层的碳浓度分布和金相组织变化情况示意图 渗碳层淬火后的金相组织要求如下： 表层～细针状马氏体+少量残余奥氏体（一般后二种组织均小5级属合格）； 心部～碳钢为铁素体+珠光体；合金钢为低碳马氏体 在工厂的实际渗碳过程中，为了保证渗碳零件的质量，掌握渗碳的规律，以及调整渗碳的工艺参数，必须对渗碳层的厚度和金相组织进行检验。检验的方法有宏观和微观的两种方法。 宏观的检验方法在实际生产中广泛应用，是将试样自渗碳温度取出淬火，然后打断试样观察其断口，帮助操作人员根据渗碳层厚度判断渗碳零件的出炉时间。也可以将试样断面磨平经4％的硝酸酒精溶液腐蚀后，用低倍放大镜测量黑圈的厚度，即近似的代表渗碳层的厚度。宏观方法的缺点在于不能判断表面最大碳浓度、碳分沿截面的浓度分布及过共析层中碳化物的形态、大小和分布情况。 微观的建议方法可以较准确的测量渗碳层的厚度，可以估计出表面最大碳浓度，可以鉴定出碳化物的级别。为了实现上述结果，必须先将渗碳试样等温退火，得到平衡组织后再进行检验。微观检验法尚可测定渗碳零件或试样淬火后马氏体级别和残余奥氏体的数量级别。关于渗碳层厚度的规定还没有一个统一的标准。有的规定不管是碳钢还是合金钢一律测量到过渡层的1/2处。有的规定碳钢测量到过渡层的2/3处，合金钢测量到原始组织为止，也有测量到共析层为止的。为便于准确而清楚的进行测量起见，最好测到50％铁素体+50％珠光体的界限为止，可以根据零件的形状、钢件大小、工作条件及受力情况等不同，决定采取某种测量标准。 三、实验设备及材料 1.设备：金相显微镜（附目镜测微尺） 2.样品：20钢渗碳件 四、实验内容 1. 将20钢加工成8×8×10（mm）的试样3～5组，预先分别在相同温度及相同渗碳气氛下进行恒定碳势渗碳处理。渗碳气氛碳势宜高于1.0%，以使试样中能观察到不同浓度层。渗碳时间分别为4～12小时不等。渗碳后的试样经空冷或缓冷以获得近平衡态组织。 2. 渗碳后的试样，经磨制、抛光、腐蚀后制成金相试样。 3. 用带有刻度的目镜在金相显微镜下观察渗碳层组织，并测定渗层深度。 4. 利用上述各公式分别计算测定结果，绘出渗层深度——渗碳时间曲线（x-t曲线）。 5．利用上述各公式分别计算出D和平均的K值，导出x-t方程后画出曲线，并与实验值相比较。 五、讨论 1.采用这种方式测定的K值，主要误差在哪里？ 2.采用圆柱形时样与方形试样测得的渗层深度是否有差别？