固体材料中的原子扩散讲稿.ppt

《固体材料中的原子扩散讲稿.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《固体材料中的原子扩散讲稿.ppt（46页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第一页，讲稿共四十六页哦第二页，讲稿共四十六页哦第三页，讲稿共四十六页哦第四页，讲稿共四十六页哦 菲克第一定律适用于稳态扩散，即在扩散的过程中各处的浓度不因为扩散过程的发生而随时间的变化而改变，也就是 dc/dt=0。当物质分布浓度随时间变化时，由于不同时间在不同位置的浓度不相同，浓度是时间和位置的函数C(x,t)，扩散发生时不同位置的浓度梯度也不一样，扩散物质的通量也不一样。在某一dt的时间段，扩散通量是位置和时间的函数j(x,t)。第五页，讲稿共四十六页哦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

2、元体中的积有量为：第六页，讲稿共四十六页哦在dt时间内单元体的浓度变化量则需要的溶质量为 第七页，讲稿共四十六页哦 在一维状态下非稳态扩散的微分方程，即为菲克第二定律的数学表达式，又称为扩散第二方程。若扩散系数D为常数，方程可写成：三维情况，设在不同的方向扩散系数为相等的常数，则扩散第二方程为：第八页，讲稿共四十六页哦实际意义：低碳钢的渗碳处理，材料的原始含碳量为C0，热处理时外界条件保证其表面的碳含量始终维持在CP(碳势)，经过一段时间后，求材料的表面附近碳含量的情况。第九页，讲稿共四十六页哦第十页，讲稿共四十六页哦第十一页，讲稿共四十六页哦第十二页，讲稿共四十六页哦解为：定义函数定义函数：

3、高斯误差函数一维半无限长棒中扩散方程误差函数解：第十三页，讲稿共四十六页哦第十四页，讲稿共四十六页哦实际意义：将溶质含量不同的两种材料焊接在一起，因为实际意义：将溶质含量不同的两种材料焊接在一起，因为浓度不同，在焊接处扩散进行后，溶质浓度随时间的会发浓度不同，在焊接处扩散进行后，溶质浓度随时间的会发生相应的变化。生相应的变化。第十五页，讲稿共四十六页哦解为：利用高斯误差函数一维无限长棒中扩散方程误差函数解：第十六页，讲稿共四十六页哦例一：有一例一：有一2020钢齿轮气体渗碳，炉温为钢齿轮气体渗碳，炉温为927927，炉气氛使工件表，炉气氛使工件表面含碳量维持在面含碳量维持在0.90.9C,C,

4、这时碳在铁中的扩散系数为这时碳在铁中的扩散系数为D D1.28x101.28x101111m m2 2s s-1-1,试计算为使距表面试计算为使距表面0.5mm0.5mm处含碳量达到处含碳量达到0.4%C0.4%C所需要所需要的时间的时间?解：可以用半无限长棒的扩散来解解：可以用半无限长棒的扩散来解 ：第十七页，讲稿共四十六页哦例二：上例中处理条件不变，把碳含量达到例二：上例中处理条件不变，把碳含量达到0.40.4C C处到处到表面的距离作为渗层深度，推出渗层深度与处理时间之表面的距离作为渗层深度，推出渗层深度与处理时间之间的关系，层深达到间的关系，层深达到1.0mm1.0mm则需多少时间则需

5、多少时间?解：因为处理条件不变解：因为处理条件不变 在温度相同时，扩散系数也相同，因此渗层深度与在温度相同时，扩散系数也相同，因此渗层深度与处理时间之间的关系处理时间之间的关系：因为因为x x2 2/x/x1 1=2=2，所以，所以t t2 2/t/t1 1=4=4，这时的时间为，这时的时间为 34268s=9.52hr 34268s=9.52hr 第十八页，讲稿共四十六页哦第十九页，讲稿共四十六页哦 图示出晶体中两个相邻的晶面图示出晶体中两个相邻的晶面1 1、2 2，面间距为，面间距为，截面的大小为单位面积，截面的大小为单位面积。假定在。假定在1 1、2 2面上的溶质原子数面上的溶质原子数(

6、面密面密度度)分别为分别为 n n1 1和和 n n2 2.。每个原子的跃迁。每个原子的跃迁频率频率是相同的，跃迁方向是随机的，是相同的，跃迁方向是随机的，从晶面从晶面1 1到晶面到晶面2(2(或者相反或者相反)的几率都是的几率都是P P。如果。如果n n1 1 n n2 2，在单位时间从晶面，在单位时间从晶面1 1到到晶面晶面2 2的净流量为的净流量为 第二十页，讲稿共四十六页哦从微观分析表明，扩散系数与扩散方向相邻晶面的面间距从微观分析表明，扩散系数与扩散方向相邻晶面的面间距、原子的跃迁频率原子的跃迁频率、跃迁几率跃迁几率P P的关系。下面对不同的机制的关系。下面对不同的机制进行具体分析。

7、进行具体分析。第二十一页，讲稿共四十六页哦扩散机制扩散机制：溶质原子存在晶格溶质原子存在晶格的间隙中，如的间隙中，如FeFe中的中的C C、N N、H H等等元素，扩散过程是间隙原子从所元素，扩散过程是间隙原子从所处在的间隙，挤过晶格原子的空处在的间隙，挤过晶格原子的空隙，到达相邻的另一个间隙。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位置的能量为G G1 1，从晶格原子中挤过去，最高能量达到，从晶格原子中挤过去，最高能量达到G G2 2，存，存在能垒在能垒G=GG=G2 2-G-G1 1，根据

8、统计物理分析可知，超出平均能量，根据统计物理分析可知，超出平均能量GG的原子几率为的原子几率为 第二十二页，讲稿共四十六页哦在面心立方在面心立方(fcc)(fcc)中延中延100100方向间隙扩散：方向间隙扩散：其中A为常数，Z相邻的间隙数，振动频率。第二十三页，讲稿共四十六页哦第二十四页，讲稿共四十六页哦扩散系数为扩散系数为 ：D D0 0为与晶格结构和扩散方向有关的常数，为与晶格结构和扩散方向有关的常数，GG为一个原为一个原子的扩散激活能，工程中也常用子的扩散激活能，工程中也常用Q Q表示表示1mol1mol的激活能的激活能。扩散系数与温度之间的关系扩散系数与温度之间的关系 第二十五页，讲

9、稿共四十六页哦扩散机制扩散机制：在置换固溶体中在置换固溶体中，由于晶格中存在空位，空位，由于晶格中存在空位，空位周围的原子周围的原子(包括溶剂和溶质原包括溶剂和溶质原子子)由热运动可能进入空位，即由热运动可能进入空位，即原子利用空位最后达到迁移，原子利用空位最后达到迁移，当存在浓度梯度当存在浓度梯度(化学位梯度化学位梯度)时，溶质原子时，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。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

10、能。的原子从原来的平衡位置进入空位也要一定的激活能。第二十六页，讲稿共四十六页哦扩散系数为扩散系数为 ：扩散系数与温度之间的关系扩散系数与温度之间的关系 晶体中空位的浓度晶体中空位的浓度 ：统称为置换扩散的激活能统称为置换扩散的激活能 第二十七页，讲稿共四十六页哦 如果将一块钢和一块纯铁焊接在一起，由于两种材料的碳含量不相同，碳原子将从钢中向纯铁中不断扩散，碳是溶解在铁晶格的间隙中形成的间隙固溶体，这种迁移不会引起原来钢或纯铁基体中晶格数量和位置的变化，这属于一种间隙扩散类型。如果将一块铜和一块锌焊接在一起，这两种材料的成如果将一块铜和一块锌焊接在一起，这两种材料的成分不同，铜要向锌中扩散，铜

11、进入锌的晶格存在于晶格节分不同，铜要向锌中扩散，铜进入锌的晶格存在于晶格节点，形成的是置换固溶体，锌也要向铜中扩散，也存在于点，形成的是置换固溶体，锌也要向铜中扩散，也存在于铜晶格节点，形成的是置换固溶体。这种扩散方式称为代铜晶格节点，形成的是置换固溶体。这种扩散方式称为代位扩散位扩散。第二十八页，讲稿共四十六页哦 这种扩散与间隙扩散不这种扩散与间隙扩散不相同的是，一方面一种原子相同的是，一方面一种原子进入另一种原子的晶格要另进入另一种原子的晶格要另一种原子扩散运动离开才能一种原子扩散运动离开才能达到节点位置；达到节点位置；另一方面，在晶体中两种原子的大小、性质不相同另一方面，在晶体中两种原子

12、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，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(或部分晶格消失或部分晶格消失)，因此代位扩散过程中会引起某种，因此代位扩散过程中会引起某种材料晶格数量的变化。材料晶格数量的变化。第二十九页，讲稿共四十六页哦 为了证实在代位扩散过程中存在为了证实在代位扩散过程中存在晶格数量的变化，晶格数量的变化，KirkendallKirkendall在在19471947做过如下实验，在做过如下实验，在CuCu30%Zn30%Zn的合金的合金两边焊上纯铜，并在焊

13、缝处加入一些两边焊上纯铜，并在焊缝处加入一些细的细的MoMo丝作标记，如图所示丝作标记，如图所示。先测定标记之间的距离，放置在先测定标记之间的距离，放置在785785下保温下保温(为加快扩散速度为加快扩散速度)。经过一天。经过一天(24hr)(24hr)后再测量，发现标记之间的距离缩短了后再测量，发现标记之间的距离缩短了0.0015cm0.0015cm；经过；经过5656天后，标记之间天后，标记之间的距离缩短了的距离缩短了0.0124cm0.0124cm。在含有浓度梯度的置换固溶体中，埋入一个惰性标记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

14、的移，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动。这个现象以后就成为柯肯达尔(Kirkendall)(Kirkendall)效应。效应。第三十页，讲稿共四十六页哦描述置换固溶体中的扩散方程由描述置换固溶体中的扩散方程由DarkenDarken提出。提出。标记移动的速度标记移动的速度 式中的式中的1 1、2 2为组元的自扩散系数（自扩散系为组元的自扩散系数（自扩散系数又称禀性扩散系数数又称禀性扩散系数 N N1 1、N N2 2为组元的摩尔浓度为组元的摩尔浓度(原子百分比原子百分比)第三十一页，讲稿共四十六页哦扩散方程扩散方程：第三十二页，讲稿共四十六页哦

15、第三十三页，讲稿共四十六页哦反应扩散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新相的形成(或称有相变发生或称有相变发生)的扩散过程称为的扩散过程称为“反应反应扩散扩散”，也称为，也称为“相变扩散相变扩散”。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。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。制的相变有十分重要的意义。第三十四页，讲稿共四十六页哦 利用我们大家熟悉的利用我们大家熟悉的FeFeC C相图，将纯铁置

16、于相图，将纯铁置于850850渗碳，气氛能使表明达到的最高溶解的碳量为渗碳，气氛能使表明达到的最高溶解的碳量为C CS S，因为再高将形成碳化物。表面为，因为再高将形成碳化物。表面为C CS S的固溶体为的固溶体为相相，从表面向内，碳的含量逐渐减少，直到碳含量为，从表面向内，碳的含量逐渐减少，直到碳含量为C C2 2处；心部为纯铁在处；心部为纯铁在850850下依然为下依然为相，从心部向外相，从心部向外，碳的含量逐渐提高，表面达到，碳的含量逐渐提高，表面达到C C1 1处。从相图可知它处。从相图可知它们到达互相平衡，这里形成两相的分界面，碳的含量就们到达互相平衡，这里形成两相的分界面，碳的含量

17、就出现了一突变。出现了一突变。渗碳过程渗碳过程第三十五页，讲稿共四十六页哦渗碳过程渗碳过程第三十六页，讲稿共四十六页哦 随时间的加长，在随时间的加长，在相存在碳的浓度梯度，碳不断向内扩相存在碳的浓度梯度，碳不断向内扩散，在散，在相界面碳多余进入到相界面碳多余进入到相，平衡破坏，部分的相，平衡破坏，部分的得到碳转变生成得到碳转变生成相，因此在相界面两边的成分依然为相，因此在相界面两边的成分依然为C C2 2和和C C1 1不变，而是相界面向内迁移，即不变，而是相界面向内迁移，即相在不断生长。可见在二元合相在不断生长。可见在二元合金的在一定温下进行扩散过程中，不会出现两相区。当然二元合金的在一定温

18、下进行扩散过程中，不会出现两相区。当然二元合金的恒温扩散过程中为什么不会出现两相区可以用相律来证明，金的恒温扩散过程中为什么不会出现两相区可以用相律来证明，但证明过程不要求大家掌握，只要知道这个结论。值得指出的是但证明过程不要求大家掌握，只要知道这个结论。值得指出的是这表现在恒温扩散过程时，处理结束后冷却下来，材料会遵照相这表现在恒温扩散过程时，处理结束后冷却下来，材料会遵照相图的规律发生相关的变化，所以并不代表到室温时不存在两相区图的规律发生相关的变化，所以并不代表到室温时不存在两相区，但这个成分的突变会保留下来。，但这个成分的突变会保留下来。第三十七页，讲稿共四十六页哦渗氮过程渗氮过程 第

19、三十八页，讲稿共四十六页哦1 1在一定的温度下，扩散过程进行中，成分从高到低逐渐变化在一定的温度下，扩散过程进行中，成分从高到低逐渐变化，但二元合金中不会形成两相混合区。，但二元合金中不会形成两相混合区。2 2在单相区，在单相区，为常数，扩散过程进行，需存在浓度梯度，为常数，扩散过程进行，需存在浓度梯度，物质从高处流向低处。物质从高处流向低处。3 3在一定的温度下，随着时间的增加，发生反应扩散时，转折在一定的温度下，随着时间的增加，发生反应扩散时，转折点的浓度不发生变化，而是新相的深度不断增加。点的浓度不发生变化，而是新相的深度不断增加。4 4单独依靠扩散从固体中析出另一新相，单独依靠扩散从固

20、体中析出另一新相，新相的层深和时间的关系为：新相的层深和时间的关系为：而生长速度则为：而生长速度则为：第三十九页，讲稿共四十六页哦1 1在一定的温度下相律：在一定的温度下相律：f=c-pf=c-p2 扩散过程进行中，系统没有达到平衡，扩散过程进行中，系统没有达到平衡，f 0f 03 C=2 p 2 p 2 即存在相数即存在相数 p=1 p=1原因说法一原因说法一原因说法二原因说法二 扩散能够不断向内进行，是因为材料内存在连续分布扩散能够不断向内进行，是因为材料内存在连续分布的化学位梯度，如果出现两相平衡，则此区域内的化学位梯的化学位梯度，如果出现两相平衡，则此区域内的化学位梯度为，扩散就不能进

21、行，这将与事实相矛盾。度为，扩散就不能进行，这将与事实相矛盾。第四十页，讲稿共四十六页哦温度温度 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，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。扩散系数与温度扩散系数的原因。扩散系数与温度T T 成指数关系，在以下因素中这个影响成指数关系，在以下因素中这个影响最为明显。最为明显。扩散过程引起的物质流量除了与浓度梯度扩散过程引起的物质流量除了与浓度梯度(和化学位梯度和化学位梯度)有关外

22、，另一个重要的因素就是扩散系数。有关外，另一个重要的因素就是扩散系数。第四十一页，讲稿共四十六页哦材料的成分材料的成分 原子之间的结合键力越强，通常对应材料的熔点也越高，激活能较大，扩散原子之间的结合键力越强，通常对应材料的熔点也越高，激活能较大，扩散系数较小。材料的成分不同，即组成材料的元素和比例不同，不同原子之间系数较小。材料的成分不同，即组成材料的元素和比例不同，不同原子之间结合键能不一样，成分的变化也影响不同类型结合键的相对数量，所以材料结合键能不一样，成分的变化也影响不同类型结合键的相对数量，所以材料的成分变化带来的影响有：的成分变化带来的影响有：1 1结合键能不同，影响到激活能不同

23、而影响扩散系数；结合键能不同，影响到激活能不同而影响扩散系数；2 2结合键能的不同，一种元素的数量结合键能的不同，一种元素的数量(成分比例成分比例)可能改变自己或其他元素的化可能改变自己或其他元素的化学位，从而影响扩散的速度，甚至方向。学位，从而影响扩散的速度，甚至方向。3 3代位扩散代位扩散(置换原子置换原子)通量决定于互扩散系数，互扩散系数本身就是通量决定于互扩散系数，互扩散系数本身就是各组元成分的函数。各组元成分的函数。第四十二页，讲稿共四十六页哦晶体结构晶体结构 1 1原子排列越紧密，晶体结构的致密度越高，激活能较大，扩原子排列越紧密，晶体结构的致密度越高，激活能较大，扩散系数较小。散

24、系数较小。2 2晶体结构的对称性差的材料中，不同方向上扩散系数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差别大多都不明显。第四十三页，讲稿共四十六页哦晶体缺陷晶体缺陷 1 1点缺陷：点缺陷：主要影响扩散的空位浓度主要影响扩散的空位浓度。2 2线缺陷：线缺陷主要形式是位错，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值；原子在位错中沿位错线的管道扩散比晶体中的扩散快。比晶体中的扩散快。3面缺

25、陷面缺陷：本身所处于较高的能力状态，：本身所处于较高的能力状态，相应扩散激活能也就较低相应扩散激活能也就较低 第四十四页，讲稿共四十六页哦其他因素其他因素 1 1弹性应力场弹性应力场 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分的转化为不可恢复的永久变形(塑性变形塑性变形)，这种在应力作用下的扩散过程也是，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

26、机制。材料以蠕变方式发生塑性变形的基本机制。2 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。扩散。影响程度：温度成分结构其它影响程度：温度成分结构其它第四十五页，讲稿共四十六页哦介绍了总结有关扩散问题的菲克第一、第二定律。介绍了总结有关扩散问题的菲克第一、第二定律。菲克第二定律的误差函数解法及其应用，由相应的边界菲克第二定律的误差函数解法及其应用，由相应的边界条件和初始条件来计算条件和初始条件来计算。讨论了扩散的微观机制和扩散的真实驱动力，解释材料中讨论了扩散的微观机制和扩散的真实驱动力，解释材料中的的“上坡扩散上坡扩散”现象。现象。分析了影响扩散系数的各种因素，这是控制扩散过程分析了影响扩散系数的各种因素，这是控制扩散过程的主要方法依据。的主要方法依据。反应扩散的概念、特征及与相变速度之间的关系。反应扩散的概念、特征及与相变速度之间的关系。第四十六页，讲稿共四十六页哦