固体材料中的原子扩散机制、扩散系数及影响因素解析PPT教学课件.ppt

* * 合金元素对碳在γ－Fe中的扩散系数的影响 碳在r-Fe中扩散系数跟碳与合金元素亲和力有关 a.形成碳化物元素 b.形成不稳定碳化物 c.不形成碳化物而溶于固溶体中的元素 影响各不相同，如Co、Ni可提高C的扩散系数，而Si则降低碳的扩散系数 如Mn对碳的扩散影响不大 如W、Mo、Cr等降低碳的扩散系数 * * 7.2.7 扩散的热力学分析 与浓度梯度有关的扩散一般是高浓度向低浓度扩散过程的浓度梯度问题，称为“顺扩散” 还存在低浓度向高浓度的扩散过程称为“逆扩散”（或称为“上坡扩散”） * * 决定组元原子扩散的流向是化学势方向 扩散的热力学 浓度梯度方向与化学势梯度方向一致时，溶质原子就会从高浓度地区向低浓度地区迁移，产生顺扩散，使成分趋向均匀，如铸锭均匀化退火 浓度梯度方向与化学势梯度方向不一致时，溶质原子从低浓度地区向高浓度地区进行逆扩散，使合金发生区域性的不均匀，如共析分解和过饱和固溶体的分解过程中同类原子的聚集 * * 7.2.8 扩散驱动力 此时菲克第一定律应写成为 μ为扩散组元的化学势，M为一比例系数，是μ的函数，与成分、温度和应力等有关 （23） 固溶体中溶质原子扩散的驱动力取决于系统中组元的化学势梯度 不管浓度梯度是正是负，只要化学势梯度达到零，扩散通量就会等于零，扩散就会停止 * * 附：扩散驱动力公式 设Ci为组元i的体积浓度，ni为组元的摩尔数，ρ为组元i的摩尔质量 等温等压条件下i组元的化学势为 因为Ci＝ρ·ni 所以 （24） （25） 即 G为系统自由能，nj为除组元i外其余各组元的摩尔数 （26） 式（25）代入式（26），得 * * 附：扩散驱动力公式 式 两边对x取偏导数得 式（27）代入式（23） （27） 去掉下标，得 与菲克第一定律比较，可见 （28） 式中M与D的正负号是一致的 （29） * * 附：扩散驱动力公式 由式（28） 可得以下重要结论 用 J与 方向相反，产生逆扩散，与菲克定律相反 J与 方向相同，产生顺扩散，与菲克定律一致 判断扩散方向更具有普遍性 * * 上坡扩散 上坡扩散属于低浓度向高浓度的扩散过程 扩散结果会使固溶体合金分解为合金元素含量高和合金元素含量低的两种成分不同、结构相同的组织状态 * * 非均匀系的自有能-成分曲线 是判断扩散方向的依据 凹形 凹形 凹形 顺扩散 固溶体成分均匀化自由能最低 * * 非均匀系的自有能-成分曲线 是判断扩散方向的依据 C1、C2两相的平均自由能G1低于成分均一的C合金的自由能G0 凸形 凸形 C合金分解成C1相和C2相自由能降低，是逆扩散 * * 1.满足热力学条件 促使逆扩散条件 3.弹性应力的作用而产生逆扩散 2.晶体缺陷造成逆扩散 晶体缺陷造成晶体的内应力和能量分布的不均匀，如多晶体中的晶界能都比晶内高 晶界吸附异类原子会降低能量，使溶质原子易于移向晶界，发生上坡扩散 刃型位错应力场作用下，溶质原子在位错周围形成Cottrell气团，也是上坡扩散 *