固体金属的扩散.ppt

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1、第三章固体金属的扩散3.1概述3.2扩散方程（理论模型）3.3影响扩散的因素3.4扩散问题的热力学分析3.5扩散机制3.6反应扩散3.1概述一、扩散的定义和条件(1)扩散：物质中原子或分子的迁移现象，是物质传输的一种方式。人们对气体和液体中的扩散现象并不陌生（如花的香味，向静水中滴加墨水等），虽然扩散现象在固态物质中不易察觉，但确实存在（如铸件的均匀化退火、金属的焊接等）。(2)固体金属扩散的四个条件①足够的迁移能量——驱动力。扩散过程都是在扩散驱动力作用下进行的。驱动力有化学位梯度、温度梯度、应力梯

2、度等。②温度足够高。固态扩散是依靠原子热激活能而进行的过程，必须在足够高的温度以上才能进行。③时间足够长。扩散原子在晶体中每跃迁一次最多也只能移动0.3～0.5nm的距离，经过相当长的时间才能造成物质的宏观定向迁移。（由此条件可采用快速冷却到低温的方法，使扩散过程“冻结”，就可以把高温下的状态保持下来。如在热加工刚完成时迅速将金属材料冷却到室温，抑制扩散过程，避免发生静态再结晶，可把动态回复或动态再结晶的组织保留下来，以达到提高金属材料性能的目的。）④扩散原子要固溶。扩散原子在基体金属中必须有一定的固

3、溶度，能够溶入基体晶格，形成固溶体，这样才能进行固态扩散。扩散即原子由基态到激活态，并迁移到一定的位置的现象。二、固态扩散的类型：按扩散过程中是否发生浓度变化分为：自扩散和互扩散，自扩散即不伴随浓度变化的扩散，与浓度梯度无关，只发生在纯金属和均匀固溶体中（如纯金属的晶粒长大，大晶粒吞并小晶粒）；互扩散即伴随有浓度变化的扩散，与异类原子的浓度差有关，异类原子相互扩散，相互渗透，又称“化学扩散”。按扩散方向与浓度梯度的方向的关系分为：下坡扩散和上坡扩散，下坡扩散是沿着浓度降低的方向扩散，使浓度趋于均匀化（

4、如渗碳）；反之，沿着浓度提高的方向扩散即为上坡扩散，使浓度发生两极分化。按扩散过程是否出现新相分为：原子扩散和反应扩散，原子扩散是在扩散过程中基体晶格始终不变，无新相产生；而通过扩散使固溶体的溶质组元浓度超过固溶度极限形成新相则为反应扩散，新相可以是新的固溶体或各种化合物。3.2扩散方程（理论模型）本节讨论扩散现象的宏观规律，可将金属看作是连续介质，建立数学理论模型，用微分方程求解。一、扩散第一定律（适用于稳态变化）推导：设有一根固溶体合金棒料，其沿长度方向存在着浓度梯度如图3-1所示，则经高温加热若

5、干时间后因溶质原子的迁移而逐渐达到成分均匀。说明虽然单个原子的运动无规则，但大量原子由浓度高的一边移向低的一边，即存在溶质原子的扩散流。定义扩散通量J：单位时间通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量其中D为扩散系数，负号表示扩散由高浓度到低浓度，C为体积浓度图3-1扩散对溶质原子分布的影响(3-1)二、菲克第一定律应用例1：测定碳在γ铁中的扩散系数。将纯铁加工成一根空心圆筒，放入通以脱碳气体的高温炉中加热保温，并在圆筒内通以渗碳气体。这样碳原子就从圆筒内壁渗入而从圆筒外壁逸出，形成碳原子的扩散流

6、。经过一定时间后过程达到稳定状态，沿筒壁截面从内到外各点的碳浓度为恒值，不随时间而变，圆筒不再吸碳，扩散通过筒壁的每单位时间的碳量q/t为恒值。解：碳原子经过半径为r处的扩散通量为：故：q可由炉内流出的脱碳气体的增碳量得出，l,t已知，需测量沿筒壁截面不同r处的含碳量，作C-lnr曲线，可求得D。式中l为进行碳扩散的这部分圆筒的长度。由(3-1)式可得三、扩散第二定律（适用于非稳态变化）取图3-2所示影线部分表示由相距为dx的两个垂直于x轴的平面所取出的微小体积，横截面积为A，箭头表示扩散方向。J1、

7、J2分别表示流入流出微小体积的碳扩散通量。由物质的平衡关系可得出物质流入速率＝物质流出速率＝图3-2扩散通过微小体积的情况（流入微小体积的物质量）-（流出为小体积的物质量）=（在微小体积中积存的物质量）则：将(3-1)式代入上式得：(3-2)这就是菲克第二定律的数学表达式。如果扩散系数D与浓度无关，(3-2)式可写为：(3-3)物质在微体积中积存速率为：物质积存速率＝四、扩散第二定律的应用例一：设有两根很长且截面均匀的合金棒对焊在一起，棒A的浓度为,棒B的浓度为,即对（3-3）式求解解：以界面作为坐标

8、原点（x=0），由题意可知初始条件：边界条件：对(3-3)式,可令假设棒为无限长，扩散系数D为恒值，，这样C只是单个变量u的函数则:代入(3-3)式得常微分方程：也即：(3-4)解方程得：令：则：(3-5)定义误差函数由初始条件：可知代入(3-5)中得：将代入(3-5),得：(3-7)(3-7)式即为焊接棒上各点在各个时间的浓度计算式。由此式可知，扩散开始后焊接截面上的浓度为：说明界面上的浓度一直保持不变。如果右边棒的原始浓度为零，即则(3-7)式改为：