工程材料基础-4.-固体中的扩散只是分享.ppt

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1、工程材料基础-4.-固体中的扩散4.1.1扩散的微观机制及扩散激活能扩散机制：原子如何在晶格内迁移,主要包括有空位扩散机制和间隙扩散机制。1.空位机制定义：处于晶体点阵结点位置的原子与近邻空位交换位置而实现原子迁移，这种扩散机制为空位扩散机制。条件：扩散原子近邻存在空位；扩散原子具有扩散激活能。空位扩散激活能：空位形成能和跳动激活能。空位扩散机制示意图２．间隙机制定义：间隙固溶体中，溶质原子从一个间隙位置跳动到另一个间隙位置。扩散激活能：原子克服能垒实现跃迁的能量。４.1.２扩散驱动力原子扩散的驱动力是化学力或化学位梯度，其表达式为：化学热力学：在恒温恒压下，固溶体各组元化学位相等，

2、则处在热力学平衡状态；若存在化学位差，则会在化学力的作用下，组元由高化学位处向低化学位处流动，发生了原子的迁移。４.1.3固态扩散的分类1、自扩散与异扩散根据扩散时有无浓度梯度，可分为自扩散和异扩散。自扩散：与浓度梯度无关，无浓度变化的扩散，一般为纯金属中相同原子间的扩散，如纯金属中再结晶形核与晶粒长大、同素异构转变。异扩散：与浓度梯度有关，有浓度变化的扩散，如不均匀固溶体中不同元素原子的相互运动，相互渗透，使成分趋于均匀化，为异类原子间的扩散。2、上坡扩散和下坡扩散根据扩散方向与浓度梯度的关系，可分为上坡扩散和下坡扩散。下坡扩散：扩散原子由高浓度向低浓度方向扩散，即与浓度梯度和化学

3、位梯度相反方向的扩散，如固溶体成分的均匀化、化学热处理中的渗碳等过程。上坡扩散：扩散原子由低浓度处向高浓度方向扩散，即与浓度梯度方向一致的扩散，如过饱和固溶体中溶质的偏聚等过程。碳在钢中扩散后浓度分布图3、原子扩散和反应扩散根据扩散时有无新相的形成可分为原子扩散与反应扩散。原子扩散：扩散过程中没有晶格类型变化无新相形成。反应扩散：随扩散原子增多超过固溶体溶解度极限时而形成新相的过程，如氮化过程。4.体扩散、表面扩散和晶界扩散按原子的扩散路径分类，在晶粒内部进行的扩散称为体扩散；在表面进行的扩散称为表面扩散；沿晶界进行的扩散称为晶界扩散。表面扩散和晶界扩散的扩散速度比体扩散要快得多。4

4、.2扩散定律４.2.1稳态扩散与扩散第一定律４.2.2非稳态扩散与扩散第二定律4.2.1稳态扩散与扩散第一定律稳态扩散：在一定浓度梯度下的稳态扩散扩散第一定律：在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流量（扩散通量J）与该截面处的浓度梯度成正比。1、扩散第一定律表达式设扩散沿x轴方向进行，且浓度梯度为,则可表述为：式中：D为扩散系数(m2/sec或cm2/sec)；负号表示扩散由高浓度向低浓度扩散，即与浓度梯度方向相反；c是体积浓度（g/cm3或1/cm3），即单位体积扩散物质的质量或原子数。2、扩散第一定律物理意义在dc∕dt=0条件下，只要存在浓度梯度就有扩散，扩散通

5、量与浓度梯度成正比，扩散流动方向是由高浓度向低浓度。扩散第一定律只适用于稳态扩散，即dc∕dt=0，浓度不随时间变化。4.2.2非稳态扩散与扩散第二定律当浓度梯度与扩散通量J均随时间和距离而变化的条件下进行扩散时，就需要从物质的平衡关系入手，建立偏微分方程即扩散第二定律。导出Fick第二定律的扩散条件示意图1、扩散第二定律的表达式扩散第二定律有多种数学解，常用误差函数解来解决渗碳过程中碳随时间和距离的变化关系，用来合理地确定渗层的浓度、深度和渗碳的时间。2、扩散第二定律的应用举例对于非稳态扩散，可根据边界条件求解扩散微分方程，对于气体进入固体的扩散过程，这个方程的一个特解可用来解决生

6、产中的一些实际问题。图4-6气体在固体中的扩散2、扩散第二定律的应用举例假定气体A在固体B中进行扩散，随着扩散时间的增加，沿x轴方向任一点的溶质原子浓度也要增加，图4-6(b)给出两个时间（t1和t2）的溶质原子浓度分布。如果气体A在固体B中的扩散系数与位置无关，则Fick第二定律的解为：式中：cs为气体元素在表面的浓度；co为固体的原始浓度；cx为时间t时、距表面x处的元素浓度；x为距表面距离；D为溶质元素的扩散系数；t为时间。4.3影响扩散的因素4.3.1温度的影响4.3.2晶体结构的影响4.3.3固溶体类型对扩散的影响4.3.4固溶体浓度对扩散的影响4.3.5晶体缺陷的影响4.

7、3.1温度的影响温度影响扩散系数:式中:D0为扩散常数(cm2/s)；Q为扩散激活能(J/mol)；R为气体常数(8.31J/mol·K)，T为绝对温度(K)温度高，原子热振动剧烈，易发生迁移，扩散系数大。4.3.2晶体结构的影响在912℃时，α-Fe的自扩散系数约为γ-Fe的240倍。原因：体心立方点阵的致密度小，原子易迁移。4.3.3固溶体类型对扩散的影响与置换固溶体比较，间隙固溶体扩散激活能较小，扩散速度较快。4.3.4固溶体浓度对扩散的影响无论何种