第六章--固体中的扩散-材料科学基础.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 固体中的扩散,概述,菲克定律,代位扩散,扩散中的热力学,扩散的微观机制,影响扩散系数的因素,反应扩散,概述,扩散现象：大家已经在气体和液体中知道，例如在房间的某处打开一瓶香水，慢慢在其他地方可以闻到香味，在清水中滴入一滴墨水，在静止的状态下可以看到他慢慢的扩散。,扩散,：由构成物质的微粒(离子、原子、分子)的热运动而产生的物质迁移现象称为扩散。扩散的宏观表现是物质的定向输送,。,说明,在,固体材料中也存在扩散，并且它是固体中物质传输的唯一方式,。虽然固体不能象气体或液体那样通过流动来进行物质传输。但是在纯金属中也同样发生扩散，用参入放射性同位素可以证明。扩散在材料的生产和使用中的物理过程有密切关系，例如：凝固、偏析、均匀化退火、冷变形后的回复和再结晶、固态相变、化学热处理、烧结、氧化、蠕变等等。,第一节 菲克定律,菲克第一定律,菲克第二定律,扩散方程的误差函数解,扩散方程的误差函数解应用举例,菲克第二定律,引出,如图所示设为单位面积,A,上取,dx,的单元体，体积为,Adx,，在,dt,的时间内通过截面,1,流入的物质量为,而通过截面2流出的物质量,在dt时间内，单元体中的积有量为：,半无限长棒中的扩散模型,实际意义：低碳钢的渗碳处理，材料的原始含碳量为C,0,，热处理时外界条件保证其表面的碳含量始终维持在C,P,(碳势)，经过一段时间后，求材料的表面附近碳含量的情况。,半无限长棒扩散方程的误差函数解,解为：,定义函数,：,高斯误差函数,一维半无限长棒中扩散方程误差函数解：,无限长棒扩散方程的误差函数解,解为：,利用高斯误差函数,一维无限长棒中扩散方程误差函数解：,扩散方程的误差函数解应用例一,例一：有一20钢齿轮气体渗碳，炉温为927，炉气氛使工件表面含碳量维持在0.9C,这时碳在铁中的扩散系数为D1.28x10,11,m,2,s,-1,试计算为使距表面0.5mm处含碳量达到0.4%C所需要的时间?(20钢含碳量为0.2%）,解：可以用半无限长棒的扩散来解,：,第二节 扩散中的热力学,菲克定律的局限性,驱动扩散的真实动力是自由能,扩散系数与化学位的关系,第四节 扩散的微观机制,原子热运动和扩散系数的关系,间隙扩散机制,空位扩散机制,间隙扩散机制,扩散机制,：,溶质原子存在晶格的间隙中，如,Fe,中的,C,、,N,、,H,等元素，扩散过程是间隙原子从所处在的间隙，挤过晶格原子的空隙，到达相邻的另一个间隙。,溶质原子从一个间隙到另一个间隙的过程，在间隙中的平衡位置的能量为G,1,，从晶格原子中挤过去，最高能量达到G,2,，存在能垒G=G,2,-G,1,，根据统计物理分析可知，超出平均能量G的原子几率为,空位扩散机制,扩散机制,：,在置换固溶体中，由于晶格中存在空位，空位周围的原子,(,包括溶剂和溶质原子,),由热运动可能进入空位，即原子利用空位最后达到迁移，当存在浓度梯度,(,化学位梯度,),时，溶质原子,就会发生定向的扩散迁移，这是置换原子扩散的主要方式。,扩散进行有两个要求条件，一是有空位存在，二是空位周围的原子从原来的平衡位置进入空位也要一定的激活能。,代位扩散基本现象,基本现象,柯肯达尔,(Kirkendall),效应,代位扩散的方程（达肯Darken方程）,代位扩散基本现象,这种扩散与间隙扩散不相同的是，一方面一种原子进入另一种原子的晶格要另一种原子扩散运动离开才能达到节点位置；,另一方面，在晶体中两种原子的大小、性质不相同，扩散迁移的速度也不一样，一种原子离开的个数与另一种原子进入的个数不相等时就会形成新的晶格(或部分晶格消失)，因此代位扩散过程中会引起某种材料晶格数量的变化。,柯肯达尔(Kirkendall)效应,为了证实在代位扩散过程中存在晶格数量的变化，Kirkendall在1947做过如下实验，在Cu30%Zn的合金两边焊上纯铜，并在焊缝处加入一些细的Mo丝作标记，如图所示,。,先测定标记之间的距离，放置在785下保温(为加快扩散速度)。经过一天(24hr)后再测量，发现标记之间的距离缩短了0.0015cm；经过56天后，标记之间的距离缩短了0.0124cm。,在含有浓度梯度的置换固溶体中，埋入一个惰性标记，由于两组元扩散能力不相等，经过扩散后会引起标记的移动。这个现象以后就成为柯肯达尔(Kirkendall)效应。,第五节 影响扩散系数的因素,温度,无论是间隙机制，还是空位机制，都遵循热激活规律，温度提高，能超过能垒的几率越大，同时晶体的平衡空位浓度也越高，这些都是提高扩散系数的原因。扩散系数与温度T 成指数关系，在以下因素中这个影响最为明显。,扩散过程引起的物质流量除了与浓度梯度,(,和化学位梯度,),有关外，另一个重要的因素就是扩散系数。,影响扩散系数的因素,晶体结构,1,原子排列越紧密，晶体结构的致密度越高，激活能较大，扩散系数较小。,2,晶体结构的对称性差的材料中，不同方向上扩散系数的差别也大，常见金属材料的晶体结构较简单，各方向的差别大多都不明显,。,影响扩散系数的因素,晶体缺陷,1,点缺陷：,主要影响扩散的空位浓度,。,2,线缺陷：线缺陷主要形式是位错，位错线附近的溶质原子的浓度高于平均值；原子在位错中沿位错线的管道扩散比晶体中的扩散快。,3,面缺陷,：本身所处于较高的能力状态，相应扩散激活能也就较低,影响扩散系数的因素,其他因素,1,弹性应力场,可以加速尺寸大的原子向拉应力大处扩散，同样加速尺寸小的原子向压应力大处扩散，这种扩散可以松弛应力，但也能把原来的弹性应变部分的转化为不可恢复的永久变形(塑性变形)，这种在应力作用下的扩散过程也是材料以蠕变方式发生塑性变形的基本机制。,2,其他任何对粒子运动的力也都可能影响扩散，如电磁场对代电粒子的扩散。,影响程度：温度成分结构其它,反应扩散的概念,反应扩散,在扩散中由于成分的变化，通过化学反应而伴随着新相的形成,(,或称有相变发生,),的扩散过程称为“反应扩散”，也称为“相变扩散”。,许多相变的过程是有成分的变化，或由扩散过程来控制的。了解反应扩散的规律对了解由成分的变化来控制的相变有十分重要的意义。,反应扩散的实例,利用我们大家熟悉的,Fe,C,相图，将纯铁置于,850渗碳，气氛能使表明达到的最高溶解的碳量为C,S,，因为再高将形成碳化物。表面为C,S,的固溶体为相，从表面向内，碳的含量逐渐减少，直到碳含量为C,2,处；心部为纯铁在850下依然为相，从心部向外，碳的含量逐渐提高，表面达到C,1,处。从相图可知它们到达互相平衡，这里形成两相的分界面，碳的含量就出现了一突变。,渗碳过程,