材料中的原子擴(kuò)散

第六章材料中的擴(kuò)散擴(kuò)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(kuò)散擴(kuò)散：物質(zhì)中原子或分子由于熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的一種遷移過程傳質(zhì)的方式：對流和擴(kuò)散擴(kuò)散是固體中物質(zhì)傳輸?shù)奈ㄒ环绞綌U(kuò)散現(xiàn)象主要內(nèi)容：擴(kuò)散的基本規(guī)律擴(kuò)散的微觀機(jī)制擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力影響擴(kuò)散的因素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象擴(kuò)散第一定律（Fick)定律內(nèi)容：在穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散條件下，單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向某一截面積的擴(kuò)散物質(zhì)流量（擴(kuò)散通量）與該截面處的濃度梯度成正比數(shù)學(xué)表達(dá)：擴(kuò)散第二定律?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.Thefluxduringdiffusionisdefinedasthenumberofatomspassingthroughaplaneofunitareaperunittime注意量綱（comparewithheattransfer)擴(kuò)散定律適用條件

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

擴(kuò)散的原子理論原子的熱運(yùn)動(dòng)-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(kuò)散激活能擴(kuò)散第二定律適用于非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散擴(kuò)散第二方程的推導(dǎo)擴(kuò)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(kuò)散第二方程：擴(kuò)散方程的應(yīng)用擴(kuò)散方程的應(yīng)用間隙擴(kuò)散擴(kuò)散第二方程可用于求解擴(kuò)散中的試件的濃度分布代位擴(kuò)散柯肯達(dá)耳效應(yīng)測定擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散第二定律的應(yīng)用（擴(kuò)散系數(shù)與濃度無關(guān)的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散）擴(kuò)散方程的解擴(kuò)散的邊界條件不同則解不同擴(kuò)散第二定律的具體應(yīng)用實(shí)例在擴(kuò)散偶上的應(yīng)用兩端成分不受擴(kuò)散影響的擴(kuò)散偶一端成分不受擴(kuò)散影響的擴(kuò)散偶滲碳：零件初始濃度為C0,表面達(dá)到Cs.如脫碳呢？擴(kuò)散第二定律的具體應(yīng)用實(shí)例例1有一20鋼齒輪氣體滲碳，滲碳溫度為927℃，爐內(nèi)滲碳?xì)夥湛刂剖构ぜ砻婧剂繛?.9%,計(jì)算距表面0.5mm處含碳量達(dá)到0.4%時(shí)所需要的時(shí)間.假定D=1.28X10-11m2s--1.若將滲層加深一倍，則需要多長時(shí)間？例2鋼加熱時(shí)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(shí)后碳含量距離曲線.擴(kuò)散的微觀機(jī)制擴(kuò)散的微觀機(jī)制原子的擴(kuò)散途徑表面擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散、位錯(cuò)擴(kuò)散和晶格擴(kuò)散（體擴(kuò)散）體擴(kuò)散的微觀機(jī)制空位機(jī)制和間隙機(jī)制擴(kuò)散的原子理論空位機(jī)制—置換型固溶體中擴(kuò)散的主要機(jī)制間隙機(jī)制—間隙固溶體中擴(kuò)散的主要機(jī)制間隙擴(kuò)散激活能含義：原子在躍遷時(shí)所需克服周圍原子對其束縛的勢壘間隙擴(kuò)散激活能幾種擴(kuò)散系統(tǒng)的D0和Q的近似值見P284的表7-2空位擴(kuò)散激活能空位擴(kuò)散激活能擴(kuò)散常數(shù)與擴(kuò)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(kuò)散方程的解，假定t>0時(shí)，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(kuò)散中的柯肯達(dá)耳（Kirkendall)現(xiàn)象含義:由于兩組元的原子以不同的速率相對擴(kuò)散而引起的標(biāo)記面漂移現(xiàn)象結(jié)果：標(biāo)記移動(dòng)（向擴(kuò)散快的方向）大量小孔洞出現(xiàn)；原因：原子半徑的差異；擴(kuò)散速度不等；意義：證明了空位擴(kuò)散的存在CuNiJCuJNiCuNi?x置換擴(kuò)散中的柯肯達(dá)耳效應(yīng)若i組元原子的濃度為Ci，以速度v運(yùn)動(dòng)，則通量J=Civ如：Cu-Al;Fe-CrCuNiJCuJNiCuNi?x擴(kuò)散的微觀機(jī)制影響擴(kuò)散的因素溫度的影響原子鍵力和晶體結(jié)構(gòu)擴(kuò)散機(jī)制晶體缺陷合金成分溫度溫度隨著溫度的升高擴(kuò)散系數(shù)增大固溶體實(shí)際的擴(kuò)散過程都在高溫下進(jìn)行見表7-3擴(kuò)散機(jī)制晶體結(jié)構(gòu)：原子排列越緊密，結(jié)合力越強(qiáng)，Q越高，擴(kuò)散系數(shù)越小原子鍵力：原子鍵力越強(qiáng)，擴(kuò)散激活能Q越高，擴(kuò)散系數(shù)越小固溶體類型：間隙固溶體中的擴(kuò)散大于置換固溶體中的擴(kuò)散；在置換固溶體中，組元原子尺寸差別越小，電負(fù)性相差越大，Q越高，則擴(kuò)散系數(shù)越小擴(kuò)散組元濃度的影響晶體缺陷激活能Q晶體缺陷晶界擴(kuò)散又稱短程擴(kuò)散，快于體擴(kuò)散原因：晶界處原子排列不規(guī)則，點(diǎn)陣畸變嚴(yán)重，空位密度和空位遷移率均比晶內(nèi)高多晶體擴(kuò)散系數(shù)比單晶體擴(kuò)散大，并且溫度越低差別越大位錯(cuò)的影響第三組元的影響第三組元的影響影響擴(kuò)散能力以合金元素對碳在－Ｆe中的擴(kuò)散系數(shù)影響為例形成碳化物的元素降低碳的擴(kuò)散，如Ｗ、Ｍo、Ｃr不形成碳化物的元素提高加速碳的擴(kuò)散，如Ｃo、Ｎi溶入碳化物的元素幾乎無影響，如Ｍn影響擴(kuò)散方向擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力上坡擴(kuò)散：物質(zhì)由高濃度向低濃度傳輸下坡擴(kuò)散：物質(zhì)由低濃度向高濃度傳輸，實(shí)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(dòng)力：化學(xué)位梯度F=-dμ/dx

發(fā)生下坡擴(kuò)散是由于系統(tǒng)中A-A鍵和B-B鍵的結(jié)合力遠(yuǎn)大于A-B鍵結(jié)合力的結(jié)果影響擴(kuò)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(jìn)行？若不在γ相區(qū)進(jìn)行會有什么結(jié)果？指出以下概念中的錯(cuò)誤。（1）

如果固溶體中不存在擴(kuò)散流，則說明原子沒有擴(kuò)散。（2）

因固體原子每次跳動(dòng)方向是隨