擴(kuò) 散ppt課件

1、1第六章第六章擴(kuò)擴(kuò) 散散;.2固體中遷移固體中遷移 固體中原子在熱運(yùn)動(dòng)下的位置轉(zhuǎn)移固體中原子在熱運(yùn)動(dòng)下的位置轉(zhuǎn)移擴(kuò)散擴(kuò)散 原子熱運(yùn)動(dòng)造成物質(zhì)的宏觀流動(dòng)；原子熱運(yùn)動(dòng)造成物質(zhì)的宏觀流動(dòng)； 是物質(zhì)的輸運(yùn)過程；是物質(zhì)的輸運(yùn)過程； 與熱傳導(dǎo)相似與熱傳導(dǎo)相似 與電的傳導(dǎo)相似與電的傳導(dǎo)相似 第一節(jié) 固體中原子的遷移 3第一節(jié) 固體中原子的遷移 E*-激活能激活能 固體中參與反應(yīng)的原子超過原子平均能固體中參與反應(yīng)的原子超過原子平均能量的附加能量，量的附加能量，J/molJ/molE - 原子平均能量原子平均能量E*- 在特定溫度下的能量在特定溫度下的能量Er - 反應(yīng)物的能量反應(yīng)物的能量Ep - 產(chǎn)物的能量產(chǎn)

2、物的能量一、熱激活固態(tài)反應(yīng)的激活能一、熱激活固態(tài)反應(yīng)的激活能4二、二、Arrhenius速率定律速率定律lnV = C - E*/RTV - 固態(tài)反應(yīng)速率固態(tài)反應(yīng)速率C - 常數(shù)常數(shù)E* - 激活能激活能R - 摩爾氣體常數(shù)（摩爾氣體常數(shù)（8.314J/molk）T - 反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度研究溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響研究溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響大多數(shù)的固態(tài)反應(yīng)都服從大多數(shù)的固態(tài)反應(yīng)都服從Arrhenius速率定律速率定律lnV和和1/T 為線性關(guān)系，可以從斜率為線性關(guān)系，可以從斜率-E*/R中計(jì)算出激活能中計(jì)算出激活能E*第一節(jié)第一節(jié) 固體中原子的遷移固體中原子的遷移 5一、擴(kuò)散機(jī)制一、擴(kuò)散機(jī)制空位機(jī)制

3、空位機(jī)制 通過原子與空位交換位置實(shí)現(xiàn)原子的遷移通過原子與空位交換位置實(shí)現(xiàn)原子的遷移?？瘴粩U(kuò)散機(jī)制的條件：空位擴(kuò)散機(jī)制的條件： 擴(kuò)散原子的近鄰有空位，同時(shí)空位周圍的原子必須有超過能壘的自由能。擴(kuò)散原子的近鄰有空位，同時(shí)空位周圍的原子必須有超過能壘的自由能。金屬的自擴(kuò)散屬于空位機(jī)制擴(kuò)散；金屬的自擴(kuò)散屬于空位機(jī)制擴(kuò)散；置換固溶體中的擴(kuò)散（置換固溶體中的擴(kuò)散（Cu/Ni擴(kuò)散偶）屬于空位機(jī)制擴(kuò)散；擴(kuò)散偶）屬于空位機(jī)制擴(kuò)散；金屬的熔點(diǎn)高其激活能也越高；金屬的熔點(diǎn)高其激活能也越高；原子移動(dòng)方向和空位移動(dòng)方向相反原子移動(dòng)方向和空位移動(dòng)方向相反第二節(jié)第二節(jié) 固體中原子的擴(kuò)散固體中原子的擴(kuò)散 6空位機(jī)制擴(kuò)散空位機(jī)

4、制擴(kuò)散7Cu/Ni擴(kuò)散偶（1）8Cu/Ni擴(kuò)散偶（2）9一、擴(kuò)散機(jī)制一、擴(kuò)散機(jī)制2. 間隙機(jī)制間隙機(jī)制 間隙原子在間隙固溶體中從一個(gè)間隙位置跳到另一個(gè)間隙位置的原子的遷移過程間隙原子在間隙固溶體中從一個(gè)間隙位置跳到另一個(gè)間隙位置的原子的遷移過程?？瘴粩U(kuò)散機(jī)制的條件：空位擴(kuò)散機(jī)制的條件： 溶原子必須具有擠開溶劑原子進(jìn)入相鄰的間隙位置周圍的激活能。溶原子必須具有擠開溶劑原子進(jìn)入相鄰的間隙位置周圍的激活能。鋼的滲碳（鋼的滲碳（ E*c=140kj/mol, E*c =270kj/mol ）鋼的氮化鋼的氮化間隙機(jī)構(gòu)引起晶格變形大，只有間隙原子與晶格位置上的原子尺寸相比較是很小時(shí)，間隙機(jī)構(gòu)引起晶格變形大

5、，只有間隙原子與晶格位置上的原子尺寸相比較是很小時(shí)，才會(huì)發(fā)生。才會(huì)發(fā)生。 第二節(jié)第二節(jié) 固體中原子的擴(kuò)散固體中原子的擴(kuò)散 10間隙機(jī)制擴(kuò)散11一、擴(kuò)散機(jī)制一、擴(kuò)散機(jī)制3. 其它擴(kuò)散機(jī)制其它擴(kuò)散機(jī)制 晶界擴(kuò)散晶界擴(kuò)散 位錯(cuò)擴(kuò)散位錯(cuò)擴(kuò)散第二節(jié)第二節(jié) 固體中原子的擴(kuò)散固體中原子的擴(kuò)散 12第二節(jié)第二節(jié) 固體中原子的擴(kuò)散固體中原子的擴(kuò)散 二、擴(kuò)散方程二、擴(kuò)散方程1. 穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散-Fick第一定律第一定律（1）模型：）模型：在垂直面相距（在垂直面相距（X X2 2-X-X1 1) )的兩平行原子面之間的擴(kuò)散，經(jīng)過時(shí)間的兩平行原子面之間的擴(kuò)散，經(jīng)過時(shí)間t t后，在后，在X X2 2和和X X1 1處

6、處的溶質(zhì)原子濃度分別為的溶質(zhì)原子濃度分別為C1C1和和C2,C2,并不隨時(shí)間變化。并不隨時(shí)間變化。13第二節(jié)第二節(jié) 固體中原子的擴(kuò)散固體中原子的擴(kuò)散 二、擴(kuò)散方程二、擴(kuò)散方程1. 穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散-Fick第一定律第一定律（2）Fick第一定律第一定律 J = -D dC/dx濃度梯度（濃度梯度（gradient）= dC/dx（斜率（斜率（slope）, 量綱為量綱為ML-3D：擴(kuò)散係數(shù)（：擴(kuò)散係數(shù)（coefficient），量綱為，量綱為L2T-1表示通過某一界面的擴(kuò)散流量與垂直這個(gè)界面方向濃度梯度成正比，其方向與濃度表示通過某一界面的擴(kuò)散流量與垂直這個(gè)界面方向濃度梯度成正比，其方向與濃度

7、降落方向一致。降落方向一致。負(fù)號(hào)表示原子的擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反（濃度由低到高為正，擴(kuò)散方向由高負(fù)號(hào)表示原子的擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反（濃度由低到高為正，擴(kuò)散方向由高到低為負(fù)）到低為負(fù)）14第二節(jié)第二節(jié) 固體中原子的擴(kuò)散固體中原子的擴(kuò)散 )/(/xCDxtC二、擴(kuò)散方程二、擴(kuò)散方程2. 非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散-Fick第二定律第二定律擴(kuò)散濃度在擴(kuò)散過程中隨時(shí)間變化擴(kuò)散濃度在擴(kuò)散過程中隨時(shí)間變化(dc/dt0)對(duì)于擴(kuò)散系數(shù)與時(shí)間無關(guān)的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，可用對(duì)于擴(kuò)散系數(shù)與時(shí)間無關(guān)的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，可用Fick第二定律：第二定律： 如如D為常數(shù)為常數(shù)22/xCDtC15常例：單向無限（semi-infin

8、ite），氣體偏壓固定邊界條件C = Cs at x=o，C = C0 at x= ，初始條件C = C0 at t=o誤差函數(shù)（error function）：)2/(1)/(00DtxerfCCCCsxzdyyzerf02)exp(/2)(16一、溫度對(duì)擴(kuò)散的影響一、溫度對(duì)擴(kuò)散的影響擴(kuò)散系數(shù)越大擴(kuò)散系數(shù)越大D = D0exp(- E*/(RT)E*：激活激活能（能（activation energy） in J/mol, cal/mol or eV/atom，移動(dòng)原子所需移動(dòng)原子所需能量能量。Fe in-Fe：3.0 x 10-21 m2/s at 500 ， 1.8 x 10-15 m2

9、/s at 900 。溫度越高，原子的能量越大，越容易發(fā)生遷移，擴(kuò)散系數(shù)越大。溫度越高，原子的能量越大，越容易發(fā)生遷移，擴(kuò)散系數(shù)越大。第三節(jié)第三節(jié) 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 17二、固溶體類型對(duì)擴(kuò)散的影響二、固溶體類型對(duì)擴(kuò)散的影響間隙固溶體的擴(kuò)散激活能一般都很小間隙固溶體的擴(kuò)散激活能一般都很小在獲得同樣濃度時(shí)，滲碳、滲氮比滲金屬的周期短在獲得同樣濃度時(shí)，滲碳、滲氮比滲金屬的周期短第三節(jié)第三節(jié) 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 18三、晶體結(jié)構(gòu)對(duì)擴(kuò)散的影響三、晶體結(jié)構(gòu)對(duì)擴(kuò)散的影響l擴(kuò)散系數(shù)隨同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變變化較大擴(kuò)散系數(shù)隨同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變變化較大 -Fe的自擴(kuò)散系數(shù)是的自擴(kuò)散系數(shù)是-Fe的的240倍倍

10、 在在527 ，氮在，氮在-Fe的自擴(kuò)散系數(shù)比的自擴(kuò)散系數(shù)比-Fe大大1500倍倍l結(jié)構(gòu)不同的固溶體對(duì)擴(kuò)散元素的溶解度是不同的，由此造成的濃度梯度不同，也會(huì)結(jié)構(gòu)不同的固溶體對(duì)擴(kuò)散元素的溶解度是不同的，由此造成的濃度梯度不同，也會(huì)影響擴(kuò)散速度影響擴(kuò)散速度問題問題- C C在在-Fe-Fe中的溶解度為中的溶解度為0.02%0.02%，而在，而在-Fe-Fe的最大溶解度為的最大溶解度為2.21%2.21%，相差，相差100100倍；而且倍；而且C C在在-Fe-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)比中的擴(kuò)散系數(shù)比-Fe-Fe大很多，為什么在工業(yè)上還要選擇在大很多，為什么在工業(yè)上還要選擇在-Fe-Fe的固溶體的固溶體中滲

11、碳？中滲碳？滲碳層深度滲碳層深度滲碳的溫度影響滲碳的溫度影響第三節(jié)第三節(jié) 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 19四、濃度對(duì)擴(kuò)散的影響四、濃度對(duì)擴(kuò)散的影響組元的擴(kuò)散系數(shù)隨濃度的變化而變化，但當(dāng)固溶體濃度較低，或擴(kuò)散濃度變化不大組元的擴(kuò)散系數(shù)隨濃度的變化而變化，但當(dāng)固溶體濃度較低，或擴(kuò)散濃度變化不大時(shí)，在求解擴(kuò)散方程過程中，可以認(rèn)為影響不大。時(shí)，在求解擴(kuò)散方程過程中，可以認(rèn)為影響不大。第三節(jié)第三節(jié) 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 20五、合金元素對(duì)擴(kuò)散的影響五、合金元素對(duì)擴(kuò)散的影響l碳化物形成元素阻礙擴(kuò)散碳化物形成元素阻礙擴(kuò)散l非穩(wěn)定碳化物形成元素影響不大非穩(wěn)定碳化物形成元素影響不大l非碳化物形成元素影

12、響各不相同非碳化物形成元素影響各不相同第三節(jié)第三節(jié) 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 21第三節(jié)第三節(jié) 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 六、表面和界面對(duì)擴(kuò)散的影響六、表面和界面對(duì)擴(kuò)散的影響-短路擴(kuò)散短路擴(kuò)散22一、鋼的滲碳一、鋼的滲碳 滲碳通常是指向低碳鋼制造的工件表面滲入碳原子，使工件表面達(dá)到高碳鋼的含碳滲碳通常是指向低碳鋼制造的工件表面滲入碳原子，使工件表面達(dá)到高碳鋼的含碳量。其目的是使工件在熱處理后表面具有高硬度和高的耐磨性，而心部仍保持低碳量。其目的是使工件在熱處理后表面具有高硬度和高的耐磨性，而心部仍保持低碳鋼良好的塑、韌性。鋼良好的塑、韌性。第四節(jié)第四節(jié) 擴(kuò)散的應(yīng)用擴(kuò)散的應(yīng)用 23鋼的滲

13、碳2 依所用滲碳劑的不同，鋼的滲碳可分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。最常用的是依所用滲碳劑的不同，鋼的滲碳可分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。最常用的是氣體滲碳，其工藝方法是將工件放入密封的加熱爐中，加熱到臨界溫度以上（通常為氣體滲碳，其工藝方法是將工件放入密封的加熱爐中，加熱到臨界溫度以上（通常為900950）按一定流量滴入液體滲碳劑（如煤油、甲醇和丙酮），并使之分解）按一定流量滴入液體滲碳劑（如煤油、甲醇和丙酮），并使之分解, 分解分解產(chǎn)物有產(chǎn)物有CnH2n和和CnH2n+2, 在鋼的表面發(fā)生如下的反應(yīng)在鋼的表面發(fā)生如下的反應(yīng)CnH2n nH2 + nCCnH2n+2 (n+1)H2 + nC 從而提供活性碳原子，吸附在工件表面并向鋼的內(nèi)部擴(kuò)散而進(jìn)行滲碳。從而提供活性碳原子，吸附在工件表面并向鋼的內(nèi)部擴(kuò)散而進(jìn)行滲碳。24鋼的滲碳3251.已知初始條件，已知初始條件，求求滲碳時(shí)間滲碳時(shí)間t；2. 求一定滲碳層深度下的濃度；求一定滲碳層深度下的濃度；3. 求滲碳層深度求滲碳層深度)2/()/(0DtxerfCCCCsxs鋼的滲碳鋼的滲碳426第四節(jié)第四節(jié) 擴(kuò)散的應(yīng)用擴(kuò)散的應(yīng)用 此現(xiàn)象常發(fā)生在磷元素之?dāng)U此現(xiàn)象常發(fā)生在磷元素之?dāng)U散，當(dāng)晶片表面之摻雜濃度高散，當(dāng)晶片表面之摻雜濃度高至接近