第7章_扩散与固态相变2015资料.ppt

扩散第一、第二定律及其应用 扩散机制 固态相变过程 扩散型及无扩散型相变 ; 在稳态扩散中，材料内部各点处的浓度不随时间变化。;扩散第一定律 (Fick’s First Law);意义：在稳态扩散时，只要材料内部存在浓度梯度，就会有扩散现象，而且扩散通量的大小与浓度梯度成正比，方向与浓度梯度方向相反，即由溶质浓度高的方向流向浓度低的方向，故前加负号。;;扩散第一定律的微观解释;原子微观热运动产生的宏观位移表示;;;扩散第二定律 (Fick’s Second Law);浓度随时间的变化与浓度分布曲线在该点的二阶导数成正比。;内插法 a b x c d e (d-x)/(e-c)=(x-a)/(c-b) x;;渗碳后经淬火（直接或一次、两次淬火） 过共析渗碳区+共析渗碳区+亚共析渗碳区;因为处理条件不变 ;附录:扩散方程的误差函数解 ;将纯铁放于渗碳炉内渗碳，假定渗碳温度为920℃，渗碳介质碳浓度Cs＝1.2％，D＝1.5xl0-11m2／s，t＝10 h。 (1)求表层碳浓度分布； (2)如规定渗层深度为表面至0.3％C处的深度，求渗层深度。; 半导体硅片的掺杂(溶质浓度分布按正态分布的薄膜解);间隙扩散 空位扩散 ; 在间隙固溶体中溶质原子的扩散是从一个间隙位置跳到近邻的另一间隙位置，发生间隙扩散。;扩散系数的计算;间隙原子在任何立方晶系中的扩散 简单立方 ， 面心立方 ， 体心立方 ，;令;;空位扩散;柯肯达尔效应：对于纯金属和置换式固溶体，当两者发生互扩散时，由于两种原子的扩散速率不同使界面产生移动，通常移向原子扩散速率较大的一方的现象。 ;(7-12);将上式分别代入①和②;设A、B两组元构成的晶体对焊在一起构成一对扩散偶，高温长时间加热后A、B组元扩散速率不同而产生柯肯达尔效应，界面移动，在此前提下推导出; 空位扩散; 影响扩散的因素 ;频率因子（ D0）;温 度;扩散激活能Q ;固溶体类型不同，溶质原子的扩散激活能不同。 间隙原子的扩散激活能都比置换原子的小，所以扩散速度比较大。 Q间隙＜Q置换， D间隙＞ D置换 间隙扩散 空位扩散 例：C、N等溶质原子在Fe中的间隙扩散激活能比Ni、Mn等溶质原子在Fe中的空位扩散激活能小得多，因此，钢化学热处理时，渗碳、渗氮要比渗金属易于进行。 例：铸锭均匀化退火，C、N间隙原子易均匀化，置换型溶质原子须加热到更高温度才能均匀化。 ;例题 : 927℃时， C在γ-Fe中的扩散常数D0=2.0X10-5m2/s，扩散激活能Q=140X103J/mol; Ni在γ-Fe中的扩散常数D0=4.4X10-5m2/s，扩散激活能Q=283X103J/mol; 其扩散系数D分别为: 表明:间隙原子C的扩散系数远大于置换原子Ni的.;二、晶体结构 不同晶体结构具有不同扩散系数(同素异构性金属); 所有元素在α-Fe 的扩散系数γ-Fe 中的扩散系数 例:900℃时,置换原子Ni在α-Fe中的扩散系数比在γ-Fe中约大1400倍;527℃时,间隙原子N在α-Fe中的扩散系数比在γ-Fe 中约大1500倍。 表明：致密度大，扩散系数小. 原因:在密堆积点阵中的扩散比在非密堆积点阵中的慢.原子排列密度大的点阵,原子移动需要克服的原子结合力大,所需的扩散激活能大,因此,扩散系数小. 应用:渗氮温度尽量选在共析转变温度以下（590 ℃）,可以缩短工艺周期。 Note1： 尽管碳原子在α-Fe 中的扩散系数比在γ-Fe 中的大，可是渗碳温度仍选在奥氏体区域。 原因：1）奥氏体的溶碳能力远比铁素体大，可以获得较大的渗层深度；2）考虑温度的影响。 Note2： 晶体结构异向型: 在某些晶体结构中，原子扩散还具有各向异性的特点。如密排六方结构的锌，在340--410 ℃范围内加热时，垂直于Z轴方向的扩散系数要比平行Z轴方向的扩散系数大200倍，但在立方晶系金属中，却看不到扩散的各向异性。 ;3：原子结合力：结合键强，熔点高，激活能大，扩散不易。;4、合金（化学）成分 在金属或合金中加入第二或第三元素时，会对扩散产生影响，促进或减慢扩散 1．加入的合金元素影响合金熔点 当加入的合金元素使合金熔点或使液相线温度降低时，扩散系数增加；反之，扩散系数降低。 原因：溶剂或溶质原子的扩散激活能与点阵中的原子间结合力有关。金属或合金的熔点越高，则原子间的结合力越强，而扩散激活能正比于原子间结合力. 所以当固溶体浓度增加导致合金的熔点下降时，合金的互扩散系数增加;相