材料科学基础-6_ppt课件

第三章 材料中的扩散1第一节 概述 1 扩散的现象与本质（ 1）扩散：热激活的原子通过自身的热振动克服束缚而迁移它处的过程。（ 2）现象：柯肯达尔效应。（ 3）本质：原子无序跃迁的统计结果。（不是原子的定向移动）。2第一节 概述 2 扩散的分类（ 1）根据有无浓度变化自扩散：原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散。(如纯金属或固溶体的晶粒长大 -无浓度变化。 )互扩散：原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散。（有浓度变化）（ 2）根据扩散方向下坡扩散：原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。上坡扩散：原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散。3第一节 概述 2 扩散的分类（ 3）根据是否出现新相原子扩散：扩散过程中不出现新相。反应扩散：由之导致形成一种新相的扩散。3 固态扩散的条件（ 1）温度足够高；（ 2）时间足够长；（ 3）扩散原子能固溶；（ 4）具有驱动力：化学位梯度。4扩散第一定律一、扩散现象两块不同浓度的金属焊在一起，在高温下保温，过一段时间，发现浓度分布发生变化。 浓度距离 xxC=C2 C=C1C2C1C1C2原始状态2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learningis a trademark used herein under license.5代入前式，约去 Adx，有：将扩散第一定律代入，有：若 D为常数，则：这就是一维条件下的菲克第二定律。 对于三维问题，有：通常将扩散系数 D看成常数。 8扩散第二定律的解及其应用 扩散第二定律的解 -误差函数解（通解）目的：求经过时间 t扩散后扩散物质的浓度分布方法：用中间变量代换使偏微分方程变为常微分方程的求解方法设中间变量 将上面两式代入9上述常微分方程的通解为：根据误差函数定义：则可得： C=Aerf() + B两端成分不受扩散影响的扩散偶 (特解）设 A、 B是两根成分均匀的等截面金属棒，其中 A的成分为 C2， B的成分为 C1。首先将两根金属棒对焊在一起，使焊接面垂直于扩散方向（见图 3-2），并取焊接面的坐标为原点 x = 0，然后加热到一定温度使之形成扩散偶。假定两根金属棒均足够长，可以保证扩散偶两端始终维持原始浓度。根据上述情况，可分别确定出相应的初始条件：初始条件： 和边界条件：10对于两端成分不受扩散影响的扩散偶，可根据（ 3-5）式及相应的边界条件求出待定常数：扩散物质的浓度随扩散距离 x和扩散时间 t变化的解析式为： erf 在 焊 接面 处 ，erf 图 3-2 扩散偶的成分变化 11一端成分不受扩散影响的扩散体 渗碳是提高低碳钢表面性能和降低生产成本的一种重要的热处理工艺，也常常被作为非稳态扩散的典型例子。其大致的工艺流程如下：将原始碳浓度为 C0的低碳钢零件在一定温度的渗碳炉内加热，由渗碳源释放出的碳很快就使渗碳件表面达到饱和浓度 Cs（通常称为碳势），而以后保持不变，同时碳原子则不断由渗碳件表面向内部扩散。此时，渗碳件可被视为半无限长的扩散体，即远离渗碳源一端的碳浓度在整个渗碳过程中不受扩散的影响，始终保持为 C0。这样，渗碳层的厚度、渗碳层中的碳浓度和渗碳时间的关系便可利用（ 3-5）式求得。12初始条件：边 界条件 ：可解得： erf 如果渗碳件 为纯铁 则 上式可 简 化 为 ： erf 13 在 927C下向含碳量为 0.2%的碳钢中渗碳，假定渗碳期间碳钢表面的碳含量始终维持在 1.2%，且渗碳层厚度定义为从表面起测量至 0.3%C处止，若已知 D0 = 2 10-5 m2/s， Q = 140 103 J/mol，请计算渗碳 8小时后所获得的渗碳层深度。（写明计算步骤即可，不必计算出结果） 14erf 0 1 2 3 4 5 6 7 8 90.0 0.0000 0.0113 0.0226 0.0338 0.0451 0.0564 0.0676 0.0789 0.0901 0.10130.1 0.1125 0.1236 0.1348 0.1459 0.1569 0.1680 0.1790 0.1900 0.2009 0.21180.2 0.2227 0.2335 0.2443 0.2550 0.2657 0.2763 0.2869 0.2974 0.3079 0.31830.3 0.3286 0.3389 0.3491 0.3593 0.3694 0.3794 0.3893 0.3992 0.4090 0.41870.4 0.4284 0.4380 0.4475 0.4569 0.4662 0.4755 0.4847 0.4937 0.5027 0.51170.5 0.5205 0.5292 0.5379 0.5465 0.5549 0.5633 0.5716 0.5798 0.5879 0.59590.6 0.6039 0.6117 0.6194 0.6270 0.6346 0.6420 0.6494 0.6566 0.6638 0.67080.7 0.6778 0.6847 0.6914 0.6981 0.7047 0.7112 0.7175 0.7238 0.7300 0.73610.8 0.7421 0.7480 0.7538 0.7595 0.7651 0.7707 0.7761 0.7814 0.7867 0.79180.9 0.7969 0.8019 0.8068 0.8116 0.8163 0.8209 0.8254 0.8299 0.8342 0.83851.0 0.8427 0.8468 0.8508 0.8548 0.8586 0.8624 0.8661 0.8698 0.8733 0.87681.1 0.8802 0.8835 0.8868 0.8900 0.8931 0.8961 0.8991 0.9020 0.9048 0.90761.2 0.9103 0.9130 0.9155 0.9181 0.9205 0.9229 0.9252 0.9275 0.9297 0.93191.3 0.9340 0.9361 0.9381 0.9400 0.9419 0.9438 0.9456 0.9473 0.9490 0.95071.4 0.9523 0.9539 0.9554 0.9569 0.9583 0.9597 0.9611 0.9624 0.9637 0.96491.5 0.9661 0.9673 0.9687 0.9695 0.9706 0.9716 0.9726 0.9736 0.9745 0.9735 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 1.9 2.0 2.2 2.70.9716 0.9763 0.9804 0.9838 0.9867 0.9891 0.9928 0.9953 0.9981 0.999表 3-1 误差函数表 ( 值由 0到 2.7)153.2 扩散热力学 扩散第一定律描述了物质从高浓度区向低浓度区扩散的现象，扩散的结果导致扩散物质浓度梯度的减小，使成分趋于均匀，这种扩散称为 “顺扩散 ”或 “下坡扩散 ”。 有些扩散过程中，物质也可能从低浓度区向高浓度区富集，扩散的结果提高了扩散物质的浓度梯度，这种扩散称为 “逆扩散 ”或 “上坡扩散 ”。 在恒温恒压下，自由能变化 G 0才是引起扩散的真正原因。 16第三节 扩散热力学 1 扩散的驱动力（ 1）扩散的驱动力在多个组元构成的扩散体系中，若一摩尔的 i组元从化学位较高（ ）的 O点迁移到化学位较低（ ）的 Q点， O、 Q之间的距离为 dx，则体系的自由能变化为：扩散的驱动力为化学位梯度 ，即 :F=-i/x负号表示扩散驱动力指向化学位降低的方向。17在化学位梯度的驱动下， i组元原子在固体中的平均扩散速度 vi正比于驱动力 Fi：式中比例系数 Bi为 i组元原子在单位驱动力作用下的迁移速度，称为原子迁移率。由热力学可知， i组元的化学位可以用其活度称为活度系数）表示，则有：微分后可得：扩散原子的扩散通量在数值上等于其体积浓度 Ci与平均扩散速度 vi的乘积：18第二节 扩散热力学 组元 i的扩散系数可表示为Di=KTBi(1+lni/lnCi)其中， (1+lni/lnCi)称为