材料科学基础（Ch4 原子与分子的运动）.ppt

第四章 固体中原子及分子的运动 本章内容 ? 扩散的表象理论 ? 扩散的原子机制 ? 影响扩散的因素 ? 陶瓷材料中扩散的主要特征 ? 高分子材料中分子运动的规律 概要 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，冷变形金属的回复和再结晶，陶瓷或粉末冶金的烧结，材料的固态相变，高温蠕变，以及各种表面处理等等，都与扩散密切相关。要深入地了解和控制这些过程，就必须先掌握有关扩散的基本规律。研究扩散一般有两种方法： 　　①表象理论一根据所测量的参数描述物质传输的速率和数量等；扩散的宏观规律。 　　②原子理论一扩散过程中原子是如何迁移的；扩散的微观机制。 　　 概要 　　本章主要讨论固体材料中扩散的一般规律、扩散的影响因素和扩散机制等内容 　　固体材料涉及金属、陶瓷和高分子化合物三类； 　　金属中的原子结合是以金属键方式； 　　陶瓷中的原子结合主要是以离子键结合方式为主； 　　而高分子化合物中的原子结合方式是共价键或氢键结合，并形成长链结构，这就导致了三种类型固体中原子或分子扩散的方式不同，描述它们各自运动方式的特征也是本章的主要目的之一。 § 4. 1 表象理论(Phenomenological laws) 4.1.1 菲克第一定律(Fick’s first law) 4.1.2 菲克第二定律(Fick’s second law) 4.1.3 扩散方程的解－应用 第一定律—求解一阶微分方程 第二定律—设置中间变量求通解(高斯解 Gauss solution、误差函数解error function solution、正玄解 sinusoidal solution) ，解微分方程，根据初始条件，边界条件求方程式。 1.两端成分不受扩散影响的扩散偶（diffusion couple）－焊接过程 解微分方程 → 引入中间变量和误差函数 → 求通解 →初始条件 和边界条件 → 求特解 2.一端成分不受扩散影响的扩散体－表面热处理过程 初始条件 t=0, x?0, ?=?0 边界条件 t0, x=0, ?=?s x=?, ?=?0 求解方法同上，特解为 工业生产中经常采用渗碳的方法来提高钢铁零件的表面硬度，所谓渗碳就是使碳原子由零件表面向内部扩散，以提高钢的含碳量。含碳量越高，钢的硬度越高。 例题:p133 思考：若想将渗碳厚度增加一倍，需增加多少渗碳时间？ (1) 对于同一扩散系统、扩散系数D与扩散时间t的乘积为一常数。 例题1：已知Cu在Al中扩散系数D，在500℃和600℃分别为4.8×10-14m2s-1和5.3×10-13m2s-1，假如一个工件在600℃需要处理10h，若在500℃处理时，要达到同样的效果，需要多少小时？（需110.4小时） (2) 对于钢铁材料进行渗碳处理时，x与t的关系是t ? x2。 例题2：假设对－Wc=0.25%的钢件进行渗碳处理，要求渗层0.5㎜处的碳浓度为0.8%，渗碳气体浓度为Wc=1.2%，在950℃进行渗碳，需要7小时，如果将层深厚度提高到1.0㎜，需要多长时间？（需要28小时） 3.衰减薄膜源－表面沉积过程 初始条件 t=0, x＝0, ?=? x ?0, ?=0 边界条件 t0, x=?, ?=0 高斯特解为 4.枝晶成份偏析的均匀化 初始条件 t=0, 边界条件 t＝?, x=0, ?= ?0 任意时刻 正弦特解为 4.1.4 置换固溶体中的扩散 由于置换型原子原子半径与基体相差不大,二者(溶质和溶剂原子)扩散速率不同，发生Kirkendall效应。 Kirkendall效应 置换固溶体中的扩散是Kirkendall和Darken效应的结合。 Darken导出了置换固溶体的扩散第一定律形式：