材料中的原子扩散课件.pptVIP

第六章材料中的扩散扩散对于材料的加工过程具有重要影响

材料中的原子扩散§扩散：物质中原子或分子由于热运动而进行的一种迁移过程§传质的方式：对流和扩散§扩散是固体中物质传输的唯一方式§扩散现象§主要内容：§扩散的基本规律§扩散的微观机制§扩散的驱动力§影响扩散的因素扩散现象

扩散第一定律（Fick)§定律内容：在稳态扩散条件下，单位时间内通过垂直于扩散方向某一截面积的扩散物质流量（扩散通量）与该截面处的浓度梯度成正比§数学表达：注意量纲（comparewithheattransfer)Thefluxduringdiffusionisdefinedasthenumberofatomspassingthroughaplaneofunitareaperunittime扩散第二定律

扩散定律适用条件1菲克(FickA)第一定律（2）表达式：J=-D(dc/dx)。（C－溶质原子浓度；D-扩散系数。）（3）适用条件：稳态扩散-dc/dt=0,浓度及浓度梯度不随时间改变。

扩散的原子理论§原子的热运动?§?-原子的跃迁频率x12§P-跃迁到另一位置的几率（跃迁的方向几率）§n-晶面1上单位面积的原子数目n11§n-晶面2上单位面积的原子数目n22§J=(n1-n2)?P§对于简单立方:D=1/6?a;2扩散激活能

扩散第二定律§适用于非稳态扩散§扩散第二方程的推导§扩散物质的质量平衡关系：输入的物质量-输出的物质量=物质的累积质量或流入率-流出率=累积率§在微元体内积存速率为：§还可表示为：§结合Fick第一定律得出扩散第二方程：扩散方程的应用

扩散方程的应用§间隙扩散§扩散第二方程可用于求解扩散中的试件的浓度分布§代位扩散§柯肯达耳效应测定扩散系数

扩散第二定律的应用（扩散系数与浓度无关的非稳态扩散）§扩散方程的解§扩散的边界条件不同则解不同扩散第二定律的具体应用实例

§在扩散偶上的应用§两端成分不受扩散影响的扩散偶

§一端成分不受扩散影响的扩散偶§渗碳：零件初始浓度为C,表面达到C.0s如脱碳呢？

扩散第二定律的具体应用实例§例1有一20钢齿轮气体渗碳，渗碳温度为927℃，炉内渗碳气氛控制使工件表面含碳量为0.9%,计算距表面0.5mm处含碳量达到0.4%时所需要的时间.假定D=1.28X10-11m2s.--1§若将渗层加深一倍，则需要多长时间？§例2钢加热时若表面碳含量立即降至0%,则脱碳后表层碳含量分布如何?求碳含量为1.3%的钢在927℃保温10小时后碳含量距离曲线.扩散的微观机制

扩散的微观机制§原子的扩散途径§表面扩散、晶界扩散、位错扩散和晶格扩散（体扩散）§体扩散的微观机制§空位机制和间隙机制扩散的原子理论

§空位机制—置换型固溶体中扩散的主要机制§间隙机制—间隙固溶体中扩散的主要机制

间隙扩散激活能§含义：原子在跃迁时所需克服周围原子对其束缚的势垒§间隙扩散激活能几种扩散系统的D和Q的0近似值见P的表7-2284空位扩散激活能

空位扩散激活能

扩散常数与扩散激活能的求解§ThediffusioncoefficientDcontainsthetemperaturedependenceofthejumpfrequencyaswellastheinformationaboutinterplanardistances.LnD§Takingthelogarithmform:LnD0M=-Q/R1/T

Example§ForlowconcentrationofZninCu,thediffusioncoefficientofZnhasbeenmeasuredtobe3.67X10-11cm2/sat1000Kand8.32X10-18cm2/sat600K.Determinetheactivationenergyforthisprocessandthendeterminethevalueofthediffusioncoefficientat450K.

作业§?(c)=0.85%的普碳钢加热到900℃在空气中保温1h后外层碳浓度降到为0。（1）推导脱碳扩散方程的解，假定t0时，x=0处，c=0。（2）假如要求零件外层的碳浓度为0.8%,表面应车去多少深度？（D=1.1X10cm/s)-72?

置换扩散中的柯肯达耳（Kirkendall)现象§含义:由于两组元的原子以不同的速率相对扩散而引起的标记面漂移现象§结果：标记移动（向扩散快的方向）大量小孔洞出现；§C