《材料科学基础》第5章固体中的扩散.ppt

初期： 渗层薄 扩散速度↑ 反应扩散速度主要取决于化学反应速度 后期： 渗层厚 扩散速度↓ 反应扩散速度主要取决于扩散速度 3. 二元系合金发生反应扩散时，扩散过程中渗层各部分不可能出现两相混合区。 因为： 两相混合区中，两相化学位相等，无驱动力，无法出现宏观物质流。 第五节 影响扩散的因素 一、温度 T↑ 迁移频率↑ 迁移几率↑ 迁移距离↑ —— 原子能量↑ —— —— D↑ 2. 固溶体类型 间隙固溶体 二、晶体结构与类型 1. 晶体结构 致密度↑ 各向异性晶体 溶解度↑ —— ↑ —— 原子迁移难度↑ —— D↓ —— D↑ —— 扩散同时呈现各向异性 —— Q↓ 置换固溶体 —— D↑ —— Q↑ —— D↓ 三、晶体缺陷 1. 点缺陷（空位）浓度↑ 表面扩散 Q↓ Q↑ 界面扩散 2. 位错 3. 面缺陷 —— D↑ —— —— 管道机制 —— D↑ —— 陷阱机制 —— D↓ —— —— Q↓↓ —— D↑↑ —— Q↓ —— D↑ 四、化学成分 1. 浓度↑―― ↑――D↑ ?2. 第三组元的作用： 降低溶点――D↑ 影响大且复杂 与扩散原子结合力（第二组元）↑――D↓ * * 因此当要求渗δ时，可以算出需要渗多长瞬间。或已知渗碳时间，可以算出已深多深。 在实际工作中会有偏差，（因为C并不是常数，随浓度的不同而不同）需要根据经验进行修正。 * （如加热、电磁场、辐射） 第5章固体中的扩散 原子、分子 平衡位置热振动 能量起伏 克服势垒 跃迁到新位置 原子迁移 单个原子的运动 无规律 普遍存在 大量原子的迁移 有规律 有外力作用 定义： 由于热运动导致原子（分子）在介质中的迁移现象 第一节 扩散定律及其应用 一、 扩散定律 1）条件： 即：适用于稳态扩散情况 1. 菲克第一定律 浓度分布与时间 t 无关，仅与位置 x 有关的情况 2）公式： 扩散通量： 单位时间，垂直于扩散方向，通过单位面积的物质量 扩散系数 由高浓度指向低浓度（与梯度方向相反） C：体积浓度（单位体积原子（质）量） x：距扩散源的距离 浓度梯度 3）说明： 符合适用条件的情况并不多，一般dc/dx要随t变化 因此发展了菲克第二定律 2. 菲克第二定律 1）条件： 即：适用于非稳态扩散情况 浓度分布与时间 t、x 均有关的情况 2）公式： 3）公式推导 即： J1 J2 A dx 二、扩散定律的应用 —— 求扩散系数 D 1. 扩散第一定律的应用 1）思路 建立条件： —— 可以应用第一定律 满足 找出直接或间接的方法测定 J 和 求 D （2）实例——测定碳在 ?-Fe 中的扩散系数 纯铁圆筒 渗碳气体 渗入 —— 筒外为脱碳气氛、筒内为渗碳气体 —— 碳原子由桶内壁渗入，外壁渗出 —— 经过一段时间达到稳定（浓度梯度不再随时间变化，即筒本身不再吸碳，积存率为零） ——符合扩散第一定律应用条件 渗出 设筒半径为r，长度l 带入扩散第一定律 l 渗碳气体 渗入 渗出 2r 其中r、l、t、已知 q 可借测定脱碳气氛的增碳量得出 dC/d lnr可借测定不同 r 处的碳含量，作C-lnr曲线，求其斜率得出。 此时仅有D为未知数。 2.扩散第二定律应用 —— 实际渗碳处理 —— 恒定源扩散 （1）首先将方程两边为对t、x的微分化为对同一变量的微分 引入 得 第二定律化为常微分方程 （2）降阶 引入 得 一阶可分离变量常微分方程 （3）求解 再对 积分得 （4）引入高斯误差函数 得 （5）由边界条件、初始条件确定A1、A2 边界条件： ——表面碳势 初始条件： ——渗碳前试样碳浓度 （6）特解 说明： 对一般问题，高斯误差函数erf（?）有表可查。 对渗碳问题：已知钢材含碳量C0、渗碳气体碳势Cs，要求渗碳浓度C*一定时， 由上式：有 故 ， 若D一定，则 第二节 扩散的微观机理 一、 扩散的机制 1）间隙机制 1. 间隙扩散 间隙位置原子克服势垒跃入另一间隙中 ——间隙小原子的迁移 物质的迁移 激活能 能量起伏 外界能量 实现 需要 2）填隙机制（篡位机制） ——间隙大原子的迁移 挤走相邻正常晶格位置上的原子 间隙原子 （溶质原子） 脱位原子 （间隙位置溶剂原子) 新的间隙原子 物质的迁移 激活能很高 （尤其是产生脱位原子的激活能） 产生 实现 2. 置换扩散 1）空位机制 柯肯道尔效应： 原子跳入相邻空位中—— 实现物质迁移 —— 需要激活能 扩散偶界面两侧原子互扩散速度不相等――界面迁移 2）直接换位机制 和 环形换位机制 两个或多个原子协