材料中的原子擴散

第六章材料中的擴散擴散對于材料的加工過程具有重要影響SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E材料中的原子擴散擴散：物質(zhì)中原子或分子由于熱運動而進行的一種遷移過程傳質(zhì)的方式：對流和擴散擴散是固體中物質(zhì)傳輸?shù)奈ㄒ环绞綌U散現(xiàn)象主要內(nèi)容：擴散的基本規(guī)律擴散的微觀機制擴散的驅(qū)動力影響擴散的因素擴散現(xiàn)象擴散第一定律（Fick)定律內(nèi)容：在穩(wěn)態(tài)擴散條件下，單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向某一截面積的擴散物質(zhì)流量（擴散通量）與該截面處的濃度梯度成正比數(shù)學(xué)表達：擴散第二定律?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.Thefluxduringdiffusionisdefinedasthenumberofatomspassingthroughaplaneofunitareaperunittime注意量綱（comparewithheattransfer)擴散定律適用條件

1菲克(FickA)第一定律（2）表達式：J=-D(dc/dx)。（C－溶質(zhì)原子濃度；D-擴散系數(shù)。）（3）適用條件：穩(wěn)態(tài)擴散-dc/dt=0,濃度及濃度梯度不隨時間改變。

擴散的原子理論原子的熱運動-原子的躍遷頻率P-躍遷到另一位置的幾率（躍遷的方向幾率）n1-晶面1上單位面積的原子數(shù)目n1n2-晶面2上單位面積的原子數(shù)目n2J=(n1-n2)P對于簡單立方:D=1/6a2;12x擴散激活能擴散第二定律適用于非穩(wěn)態(tài)擴散擴散第二方程的推導(dǎo)擴散物質(zhì)的質(zhì)量平衡關(guān)系：輸入的物質(zhì)量-輸出的物質(zhì)量=物質(zhì)的累積質(zhì)量或流入率-流出率=累積率在微元體內(nèi)積存速率為：還可表示為：結(jié)合Fick第一定律得出擴散第二方程：擴散方程的應(yīng)用擴散方程的應(yīng)用間隙擴散擴散第二方程可用于求解擴散中的試件的濃度分布代位擴散柯肯達耳效應(yīng)測定擴散系數(shù)擴散第二定律的應(yīng)用（擴散系數(shù)與濃度無關(guān)的非穩(wěn)態(tài)擴散）擴散方程的解擴散的邊界條件不同則解不同擴散第二定律的具體應(yīng)用實例在擴散偶上的應(yīng)用兩端成分不受擴散影響的擴散偶一端成分不受擴散影響的擴散偶滲碳：零件初始濃度為C0,表面達到Cs.如脫碳呢？擴散第二定律的具體應(yīng)用實例例1有一20鋼齒輪氣體滲碳，滲碳溫度為927℃，爐內(nèi)滲碳氣氛控制使工件表面含碳量為0.9%,計算距表面0.5mm處含碳量達到0.4%時所需要的時間.假定D=1.28X10-11m2s--1.若將滲層加深一倍，則需要多長時間？例2鋼加熱時若表面碳含量立即降至0%,則脫碳后表層碳含量分布如何?求碳含量為1.3%的鋼在927℃保溫10小時后碳含量距離曲線.擴散的微觀機制擴散的微觀機制原子的擴散途徑表面擴散、晶界擴散、位錯擴散和晶格擴散（體擴散）體擴散的微觀機制空位機制和間隙機制擴散的原子理論空位機制—置換型固溶體中擴散的主要機制間隙機制—間隙固溶體中擴散的主要機制間隙擴散激活能含義：原子在躍遷時所需克服周圍原子對其束縛的勢壘間隙擴散激活能幾種擴散系統(tǒng)的D0和Q的近似值見P284的表7-2空位擴散激活能空位擴散激活能擴散常數(shù)與擴散激活能的求解ThediffusioncoefficientDcontainsthetemperaturedependenceofthejumpfrequencyaswellastheinformationaboutinterplanardistances.Takingthelogarithmform:1/TLnDLnD0M=-Q/RExampleForlowconcentrationofZninCu,thediffusioncoefficientofZnhasbeenmeasuredtobe3.67X10-11cm2/sat1000Kand8.32X10-18cm2/sat600K.Determinetheactivationenergyforthisprocessandthendeterminethevalueofthediffusioncoefficientat450K.作業(yè)(c)=0.85%的普碳鋼加熱到900℃在空氣中保溫1h后外層碳濃度降到為0。（1）推導(dǎo)脫碳擴散方程的解，假定t>0時，x=0處，c=0。（2）假如要求零件外層的碳濃度為0.8%,表面應(yīng)車去多少深度？（D=1.1X10-7cm2/s)置換擴散中的柯肯達耳（Kirkendall)現(xiàn)象含義:由于兩組元的原子以不同的速率相對擴散而引起的標記面漂移現(xiàn)象結(jié)果：標記移動（向擴散快的方向）大量小孔洞出現(xiàn)；原因：原子半徑的差異；擴散速度不等；意義：證明了空位擴散的存在CuNiJCuJNiCuNi?x置換擴散中的柯肯達耳效應(yīng)若i組元原子的濃度為Ci，以速度v運動，則通量J=Civ如：Cu-Al;Fe-CrCuNiJCuJNiCuNi?x擴散的微觀機制影響擴散的因素溫度的影響原子鍵力和晶體結(jié)構(gòu)擴散機制晶體缺陷合金成分溫度溫度隨著溫度的升高擴散系數(shù)增大固溶體實際的擴散過程都在高溫下進行見表7-3擴散機制晶體結(jié)構(gòu)：原子排列越緊密，結(jié)合力越強，Q越高，擴散系數(shù)越小原子鍵力：原子鍵力越強，擴散激活能Q越高，擴散系數(shù)越小固溶體類型：間隙固溶體中的擴散大于置換固溶體中的擴散；在置換固溶體中，組元原子尺寸差別越小，電負性相差越大，Q越高，則擴散系數(shù)越小擴散組元濃度的影響晶體缺陷激活能Q晶體缺陷晶界擴散又稱短程擴散，快于體擴散原因：晶界處原子排列不規(guī)則，點陣畸變嚴重，空位密度和空位遷移率均比晶內(nèi)高多晶體擴散系數(shù)比單晶體擴散大，并且溫度越低差別越大位錯的影響第三組元的影響第三組元的影響影響擴散能力以合金元素對碳在－Ｆe中的擴散系數(shù)影響為例形成碳化物的元素降低碳的擴散，如Ｗ、Ｍo、Ｃr不形成碳化物的元素提高加速碳的擴散，如Ｃo、Ｎi溶入碳化物的元素幾乎無影響，如Ｍn影響擴散方向擴散驅(qū)動力上坡擴散：物質(zhì)由高濃度向低濃度傳輸下坡擴散：物質(zhì)由低濃度向高濃度傳輸，實質(zhì)是原子從高化學(xué)位向低化學(xué)位區(qū)遷移而使系統(tǒng)自由能降低的自發(fā)過程化學(xué)位：系統(tǒng)中組元摩爾原子濃度的微小變化所引起的系統(tǒng)摩爾吉布斯自由能的變化率驅(qū)動力：化學(xué)位梯度F=-dμ/dx

發(fā)生下坡擴散是由于系統(tǒng)中A-A鍵和B-B鍵的結(jié)合力遠大于A-B鍵結(jié)合力的結(jié)果影響擴散的因素為什么鋼鐵零件滲碳溫度一般要選擇γ相區(qū)中進行？若不在γ相區(qū)進行會有什么結(jié)果？指出以下概念中的錯誤。（1）

如果固溶體中不存在擴散流，則說明原子沒有擴散。（2）

因固體原子每次跳動方向是隨