扩散部分课件

1、 直接换位直接换位 环形换位环形换位 间隙原子在跳动时必须克间隙原子在跳动时必须克 服一个势垒服一个势垒 （G2-G1），）， 只有自由能大于只有自由能大于G2的原子的原子 才能跳动。才能跳动。 原子热激活原子热激活 0.3-0.5nm/次次 形成固溶体形成固溶体 化学位梯度化学位梯度 扩散扩散 异异(互互)扩散扩散 自扩散自扩散 At M J BA BA xx CC x C dx dC GC . steady-state diffusion 0 dt dC 菲克第一定律菲克第一定律 dx dC DJ D, Diffusion coefficient 扩散系数，扩散系数，m2/s， Diffu

2、sion rate at steady state diffusion， 稳态扩散时的扩散速度稳态扩散时的扩散速度 J, Diffusion Flux 扩散通量，扩散通量，kg/m2s Concentration Gradient 浓度梯度浓度梯度 dx dC 菲克第一定律菲克第一定律 dx dC DJ “ ”表示扩散方向为浓度梯度方向的反方向，即扩表示扩散方向为浓度梯度方向的反方向，即扩 散由高浓度区向低浓度区进行；散由高浓度区向低浓度区进行； Ficks first law 表明：只要材料中有浓度梯度，扩散表明：只要材料中有浓度梯度，扩散 就会由高浓度区向低浓度区进行，且扩散通量就会由高浓

3、度区向低浓度区进行，且扩散通量J与浓与浓 度梯度度梯度 成正比。成正比。 dx dC 菲克第二定律菲克第二定律 2 2 x C D t C C，volume concentration 扩散物质的体积浓度，扩散物质的体积浓度， kg/m3 t，diffusion time 扩散时间，扩散时间，s x，distance 距离，距离，m 0 dt dC C = f ( t , x ) 菲克第二扩散定律菲克第二扩散定律 2 2 x C D t C boundary conditions x s 0 C0) t ,C(x C0) t0,C(x C0) tx,C(x Here: Z y dyeZerf

4、0 22 )( ) 2 ( 0 Dt x erf CC CC s xs Equation 8.3 渗碳中的应用渗碳中的应用 误差函数误差函数 )108 . 6(1 2 . 1 ) 106 . 3105 . 12 ( 02 . 1 2 . 1 ) 2 ( 2 411 0 xerfC x erf C Dt x erf CC CC x x s xs 将将Cx=0.3代入上式代入上式 erf ( 6.8 * 102 x ) = 0.75 查表查表8-1，Z = 6.8*102x = 0.81 x 1.19mm n例二：有一例二：有一20钢齿轮气体渗碳，炉温为钢齿轮气体渗碳，炉温为927，炉，炉 气氛使

5、工件表面含碳量维持在气氛使工件表面含碳量维持在0.9C,这时碳在铁这时碳在铁 中的扩散系数为中的扩散系数为D1.28x10-11m2/s,试计算为使距试计算为使距 表面表面0.5mm处含碳量达到处含碳量达到0.4%C所需要的时间所需要的时间? ) 1028. 12 105 . 0 ( 2 . 09 . 0 4 . 09 . 0 11 3 t erf n例三：上例中处理条件不变，把碳含量达到例三：上例中处理条件不变，把碳含量达到0.4 C处到表面的距离作为渗层深度，推出渗层深度处到表面的距离作为渗层深度，推出渗层深度 与处理时间之间的关系，层深达到与处理时间之间的关系，层深达到1.0mm则需多则

6、需多 少时间少时间? 解：因为处理条件不变解：因为处理条件不变 在温度相同时，扩散系数也相同，因此渗层深度与在温度相同时，扩散系数也相同，因此渗层深度与 处理时间之间的关系处理时间之间的关系： 因为因为x x2 2/x/x1 1= 2= 2，所以，所以t t2 2/t/t1 1= 4= 4，这时的时间为，这时的时间为 34268s = 9.52hr34268s = 9.52hr D0, Diffusion Constant 扩散常数扩散常数 Q, Diffusion Activation Energy 扩散激活能扩散激活能 D0, Q，Constants RTQ eDD / 0 由由1500增

7、加到增加到2000，D增加了增加了 近近3个数量级。个数量级。 Interstitial SS Substitutional SS ISS 的的Q扩散激活能比扩散激活能比SSS要要 小得多，小得多，vD也快得多。也快得多。 高熔点纯金属的扩散激活能较高，扩散较慢；高熔点纯金属的扩散激活能较高，扩散较慢； 在密排点阵中扩散比在非密排点阵中慢。在密排点阵中扩散比在非密排点阵中慢。 SurfaceGrain boundaryIntragrain RTQ eDD / 0 eg. Au-Ni变化显著；实际生产中，假定变化显著；实际生产中，假定D与浓度无关。与浓度无关。 1. 强碳化物形成元素，强碳化物形成元素，W，Mo，Cr等，降低等，降低D； 2. 不能形成碳化物，但易溶解于碳化物中的元素，不能形成碳化物，但易溶解于碳化物中的元素，Mn， 对对D影响不大；影响不大； 3. 不形成碳化物而溶于固溶体中的元素：不形成碳化物而溶于固溶体中的元素：4%Co，使，使C 在在-Fe中的扩散速率增加一倍；中的扩散速率增加一倍；Si则降低碳的则降低碳的D； 4. 加入的合金元素使合金熔点或液相线温度降低时，扩加入的合金元素使合金熔点或液相线温度降低时，扩 散系数增加；反之，扩散系数降低。散系数增加；