扩散现象与扩散方程--西安交大材料科学基础.pptVIP

1.试说明钢渗碳为什么在奥氏体状态下进行而不在铁素体状态下进行？ 2.说明晶体中的原子扩散机制？ 3.举例说明扩散规律在冶金生产过程和热处理工艺中的应用。 4.指明Fick第二定律数学表达式的适用条件？ 本章思考题 后退 下页 ●扩散驱动力：化学位梯度 Di=MikT[1+ ] dlnγi dlnCi 可见，当[1+ ]0，Di为正值，即为通常的下坡扩散。 当[1+ ]0，Di为负值，即为上坡扩散。 dlnγi dlnCi dlnγi dlnCi 后退 下页 返回 * 第七章 材料中的原子扩散 扩散定律及其应用 扩散机制 影响扩散的因素及扩散驱动力 几个特殊的有关扩散的实际问题 固态相变中的形核 概述 固态相变的晶体成长 下页 返回 概 述 扩散 唯象方法——唯象理论（宏观规律） 微观方法——原子理论（微观理论） 唯象理论：既不考虑扩散系统的具体结构，也不考 虑扩散扩散原子的迁移机构，把扩散系统看成是连 续的介质，通过建立和求解微分方程、研究扩散过 程中扩散物质的浓度时间和空间坐标的变化及扩散 物质的迁移规律，或反过来根据唯象的结果和关系 求解唯象系数（扩散系数）。 下页 后退 原子理论 通过研究扩散系数介质的结构和扩散原子的迁机构，用统计物理学的方法建立扩散原子的微观行为（如跃迁频率、跃迁距离等）和宏观参量（如扩散系数、浓度、温度等）之间的关系，并反过来根据这些关系和实验结果了解扩散介质的结构、缺陷及行为等。 下页 后退 固态扩散 固体中由于原子的热运动所造成的物质传输过程。在晶体中，原子在其平衡位置上作快速热振动，若因某种原因（如温度升高）使一些原子能量增大到足以克服周围原子的束缚，这些原子就可以在热振动过程中跃迁到邻近的位置上去如果这种跃迁不断地继续下去就形成舞质的传输。 后退 下页 返回 第一节 扩散定律及其应用 一、扩散现象 纯金属中的自扩散 间隙固溶体中的间隙原子扩散 置换固溶体中的溶质介质和溶剂原子的互扩散 大量原子迁移的宏观效果就是扩散 下页 后退 二、Fick第一定律 在稳态扩散（ ）的条件下，单位时间内通过 垂直于扩散方向的单位截面面积的扩散物质的通量 与浓度梯度成正比。 反映扩散能力和决定扩散过程的 重要，“-”表示扩散方向与x方向 相反,即扩散浓度由高处向低处的 方向进行。 下页 后退 二、Fick第二定律 质量平衡关系： （在微小体积中积存的物质） =（留入的物质量）J1- （留出的物质量）J2 下页 后退 扩散第二定律 D — 常数 下页 后退 四、扩散方程的应用 误差函数解 1.无限长棒的扩散第二方程解 设有两根很长且截面均匀的合金棒，棒A1浓度C2, 棒B浓度C1（C2C1），将两棒对焊，其焊面垂直 于x轴，然后加热进行扩散。 x0,则C=C1 初始条件：t=0, x0,则C=C2 x=∞, 则C=C1 边界条件：t≥0, x =-∞,则C=C2 扩散偶中非稳态扩散 下页 后退 返回 下页 由扩散 第二定律 求解微分方程，得到 下页 后退 说明 （1）可确定不同时间t和距界面厚度不同处x的浓度 C=f(x,t); （2）当距离界面x处的浓度为一不确定值时，则扩 散所需时间t将与层深x2成正比关系； （3）当x=0时, 即在扩散过程中界面 上的浓度恒定不变； （4）如扩散偶之一不存在原子浓度时，C1=0，则： 下页 后退 2.半无限长棒的扩散方程解 0 x C2 初始条件：t=0,C=C2 x=∞, 则C=C1 边界条件：t≥0, x =0, 则C=C2 其解： 钢铁的渗碳即可作为半无限长棒处理，对于初始含 量碳为C2的工件，置于温度为T的渗碳气氛中，在 扩散过程