2019年 材料科学基础第一节扩散现象与扩散方程ppt课件.ppt

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1、第七章材料中的原子扩散扩散定律及其应用扩散机制影响扩散的因素及扩散驱动力几个特殊的有关扩散的实际问题固态相变中的形核概述固态相变的晶体成长下页返回概述扩散唯象方法——唯象理论（宏观规律）微观方法——原子理论（微观理论）唯象理论：既不考虑扩散系统的具体结构，也不考虑扩散扩散原子的迁移机构，把扩散系统看成是连续的介质，通过建立和求解微分方程、研究扩散过程中扩散物质的浓度时间和空间坐标的变化及扩散物质的迁移规律，或反过来根据唯象的结果和关系求解唯象系数（扩散系数）。下页后退原子理论通过研究扩散系数介质的结构和扩散原子的迁机

2、构，用统计物理学的方法建立扩散原子的微观行为（如跃迁频率、跃迁距离等）和宏观参量（如扩散系数、浓度、温度等）之间的关系，并反过来根据这些关系和实验结果了解扩散介质的结构、缺陷及行为等。下页后退固态扩散固体中由于原子的热运动所造成的物质传输过程。在晶体中，原子在其平衡位置上作快速热振动，若因某种原因（如温度升高）使一些原子能量增大到足以克服周围原子的束缚，这些原子就可以在热振动过程中跃迁到邻近的位置上去如果这种跃迁不断地继续下去就形成舞质的传输。后退下页返回第一节扩散定律及其应用一、扩散现象纯金属中的自扩散间隙固溶体中

3、的间隙原子扩散置换固溶体中的溶质介质和溶剂原子的互扩散大量原子迁移的宏观效果就是扩散下页后退二、Fick第一定律在稳态扩散（）的条件下，单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面面积的扩散物质的通量与浓度梯度成正比。反映扩散能力和决定扩散过程的重要，“-”表示扩散方向与x方向相反,即扩散浓度由高处向低处的方向进行。下页后退二、Fick第二定律质量平衡关系：（在微小体积中积存的物质）=（留入的物质量）J1-（留出的物质量）J2下页后退扩散第二定律D—常数下页后退四、扩散方程的应用误差函数解1.无限长棒的扩散第二方程解设有两

4、根很长且截面均匀的合金棒，棒A1浓度C2,棒B浓度C1（C2>C1），将两棒对焊，其焊面垂直于x轴，然后加热进行扩散。x>0,则C=C1初始条件：t=0,x<0,则C=C2x=∞,则C=C1边界条件：t≥0,x=-∞,则C=C2扩散偶中非稳态扩散下页后退返回下页由扩散第二定律求解微分方程，得到下页后退说明（1）可确定不同时间t和距界面厚度不同处x的浓度C=f(x,t);（2）当距离界面x处的浓度为一不确定值时，则扩散所需时间t将与层深x2成正比关系；（3）当x=0时,即在扩散过程中界面上的浓度恒定不变；（4）如扩散偶

5、之一不存在原子浓度时，C1=0，则：下页后退2.半无限长棒的扩散方程解0xC2初始条件：t=0,C=C2x=∞,则C=C1边界条件：t≥0,x=0,则C=C2其解：钢铁的渗碳即可作为半无限长棒处理，对于初始含量碳为C2的工件，置于温度为T的渗碳气氛中，在扩散过程中初始保持工件表面的碳浓度为C1,且C1>C2，则距表面x处的碳浓度即可用上述解。下页后退3.在渗碳问题中，常规定碳浓度作为渗碳层的界限，令此给定值为C0，距表面为x处，则：式中左边为已知量，查表7-1，反查求得的数值，设,则渗碳层厚度：表明渗层厚度与渗碳时间

6、及扩散系数D的平方根成正比。下页后退例题有一20钢齿轮气体渗碳，渗碳层的温度是927℃，炉内渗碳气氛控制使工件表面含碳量ωc为0.9%，试计算距表面0.5mm处含碳量ωc达到0.4%时所需的时间。假定碳在927℃时的扩散系数为D=1.28×10–11m2.s–1下页后退返回第二节扩散机制一、扩散的微观机制概述空位机制间隙机制自间隙机制原子跃迁的距离：二、互扩散和柯肯达尔效应由于原始界面的移动，界面移向原子扩散速率较大的一方，这种现象称为柯肯达而效应。下页后退三、扩散系数的计算：—原子的跳动频率，取决与原子本性和温度。

7、—跳迁方向几率—跃迁距离后退下页四、扩散激活能间隙扩散激活能空位扩散激活能D0—扩散常数—间隙扩散激活能。代表间隙扩散时间隙溶质原子跳动所需的额外内能—空位形成能●下页后退●置换型溶质的扩散激活能>间隙型溶质的扩散激活能.—空位扩散时溶质原子与空位交换位置（即溶质原子跳动）所需的能量。ΔEm下页后退第三节影响扩散的因素与扩散驱动力一、影响扩散的因素1、D0、Q、T的影响扩散系数D可用下式表示：D——扩散常数，Q——扩散激活能R——气体常数，T——热力学温度后退下页2、影响激活能Q的主要因素（1）扩散机制（2）晶体结构

8、（3）原子结合力（4）合金成分影响因素内因：组织、结构、化学成分外因：温度、应力、压力、介质下页后退（1）温度增高，原子振动能增加，借助于能量起伏而越过势垒进行迁移的原子几率越大。（2）温度增高，金属内部的空位浓度提高，有利于扩散。温度是影响扩散系数的最主要因素，D与T成指数关系，随着温度的升高，扩散系数急剧增大，扩散加剧，这是由于：一、温度后