新产品的整合管理

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1、扩散对于材料的加工过程具有重要影响第七章　固体材料中的原子扩散扩散定律及其应用扩散的微观机制扩散的热力学理论反应扩散影响扩散的重要因素扩散现象第七章扩散第一节　扩散定律及应用扩散定律——扩散的规律（1）定义：扩散是热激活的原子通过自身的热振动克服束缚而迁移它处的过程。（2）现象：柯肯达尔效应。（3）本质：原子无序跃迁的统计结果。（不是原子的定向移动）。第七章扩散第一节扩散定律1菲克第一定律Fick’sFirstLaw(1)描述: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积的扩散物质的量（J扩散通量

2、~Flux），与浓度梯度成正比。第七章扩散第一节扩散定律©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.稳态扩散：dc/dt=0，浓度及浓度梯度不随时间改变。D－扩散系数~coefficient，m2.s-1C－溶质原子浓度，g.m-3，mol.m-3dc/dx－浓度梯度（2）表达式（diffusionflux）（3）适用条件第七章扩散第一节扩散定律例1：7000

3、C下，一块铁板的一面置于碳化气氛中，另一面贫碳。假定稳态下距富C层表面5mm和10mm处的碳浓度分别为1.2和0.8kg/m3，该温度下扩散系数D＝3*10-11m2.s-1，试计算J。第七章扩散第一节扩散定律2菲克第二定律Fick’sSecondLaw适用条件：非稳态扩散(nonsteadystate~)，C/t≠0,J/x≠0一般表达式第七章扩散第一节扩散定律非稳态扩散下浓度分布与时间关系稳态扩散：只有一条浓度曲线非稳态扩散：浓度曲线随时间而变化第七章扩散第一节扩散定律3扩散第二定律的应用（1）误差

4、函数解适用条件：无限长棒或半无限长棒（恒定扩散源〕边界条件t=0,C=C0t>0,x=0,C=Cs;x=,C=C0误差函数例：在渗碳条件下，求C(x,t)处的浓度；Cs:表面含碳量;C0:钢的原始含碳量第七章扩散第一节扩散定律第七章扩散第一节扩散定律无限长棒：无限长棒：扩散偶远端浓度不变，界面浓度梯度逐渐降低半无限长棒：扩散偶左边浓度恒定不变，界面浓度梯度逐渐降低半无限长棒：误差函数表第七章扩散第一节扩散定律3扩散第二定律的应用（2）高斯解(薄膜解）：扩散物质量M保持一定适用条件：限定扩散源、衰减薄膜源（扩散

5、物质总量M不变；t=0,c=0)例：半导体Si中P的掺杂。第七章扩散第一节扩散定律3扩散第二定律的应用（3）正弦解：第七章扩散第一节扩散定律例2为了强化材料，常将材料在高温下的富C气氛如CH4中渗碳(Carburizing)。今有一含碳量0.25wt%的碳钢放在9500C下碳含量1.2wt%的气氛中渗碳，要求距表面0.5mm处达到0.8wt%，需要多长时间？已知该温度下C在Fe中扩散系数D＝1.6*20-11m2s-1C0=0.25wt%Cs=1.2wt%C=0.8wt%X=0.5mm=5*10-4mD＝1.6

6、*20-11m2s-1续查误差函数表Zerf(Z)0.350.3794z’0.42100.400.4284z’=0.392t=25,400(s)=7.1(h)代入前式得第七章扩散第一节扩散定律两条推论Cx,Cs,C0相同的情况下第七章扩散第一节扩散定律两条推论对于钢铁材料，扩散所需时间t与扩散距离的平方x2成正比。对同一扩散系统，Dt为一常数。第七章扩散第一节扩散定律例3Cu在Al中的扩散系数分别为D500＝4.8*10-14m2.s-1和D600＝5.3*10-13m2.s-1，试计算在其它条件相同的情况下进

7、行扩散，500℃下需要多长时间才能达到600℃下10h相同的效果。D500t500=D600t600第七章扩散第一节扩散定律例4钢模(wc=0.85%)在空气炉中加热至900℃并保温1h，其间发生脱碳。在脱碳过程中钢模表面碳浓度为0，技术条件要求模具表面最低含碳量为0.8%，试计算其切削余量。由题意知：C0＝0.85，C(x,t)＝0.80，t＝3600，Cs＝0脱碳方程为：经计算，并查误差函数表，得x=0.0518(cm)第七章扩散第一节扩散定律5.扩散的分类（1）根据有无浓度变化自扩散(selfdiffus

8、ion)：原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散(如纯金属或固溶体的晶粒长大。)互扩散(mutualdiffusion)：原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散。（有浓度变化）（2）根据扩散方向下坡扩散(downhilldiffusion)：原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。上坡扩散(uphilldiffusion)：原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散。第七章扩散第一节扩散定律TD