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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： 扩散定律适用条件 1 菲克(Fick A)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 P-跃迁到另一位置的几率（跃迁的方向几率） n1-晶面1上单位面积的原子数目n1 n2-晶面2上单位面积的原子数目n2 J=(n1-n2) ?P 对于简单立方:D=1/6?a2; 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 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 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 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C0,表面达到Cs. 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 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 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 空位扩散激活能 扩散常数与扩散激活能的求解 The diffusion coefficient D contains the temperature dependence of the jump frequency as well as the information about interplanar distances. Taking the logarithm form: Example For low concentration of Zn in Cu, the diffusion coefficient of Zn has been measured to be 3.67X10-11cm2/s at 1000K and 8.32X10-18cm2/s at 600K. Determine the activation energy for this process and then determine the value of the diffusion coefficient at 450K. 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?=1.1X10-7cm2/s) 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； 原因：原子半径的差异； 扩散速度不等； 意义：证明了空位扩散的存在 影响扩散的因素 温度的影响 原子键力和晶体结构 扩散机制 晶体缺陷 合金成分 温度 随着温度的升高扩散系数增大 固溶体实际的扩散过程都在高温下进行 见表7-3 扩散机制 晶体结构：原子排列越紧密，结合力越强，Q