材料的凝固-气相沉积扩散与固态相变..教案资料.ppt

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1、材料的凝固-气相沉积扩散与固态相变..水加入染料部分混合完全均匀化时间由于粒子的热运动而自发地产生的物质迁移现象。扩散扩散是固体中原子传输的唯一方式。齿轮表面硬化在稳态扩散中，材料内部各点处的浓度不随时间变化。在非稳态扩散中，材料内部各点处的浓度随时间而变化。第一节扩散定律及其应用非稳态扩散稳态扩散扩散扩散第一定律(Fick’sFirstLaw)内容：单位时间内通过垂直于扩散方向单位面积的物质的流量（扩散通量J）与该处的浓度梯度成正比。适用于：稳态扩散意义：在稳态扩散时，只要材料内部存在浓度梯度，就会有扩散现象，而且扩散通量的大小与浓度梯度成正比，方向与浓度梯度方向相反，

2、即由溶质浓度高的方向流向浓度低的方向，故前加负号。扩散第一定律的微观解释以间隙原子在简单立方晶体中的运动为例。n1>n2,从①跳到②的净流量CB（1）-CB（2）=-dCB/dx·α原子运动的宏观位移扩散距离和扩散系数与时间的乘积有平方根的关系。跳跃平均距离为扩散第二定律(Fick’sSecondLaw)①②适用于：非稳态扩散浓度随时间的变化与浓度分布曲线在该点的二阶导数成正比。扩散第二定律应用钢的渗碳钢棒在富含一定浓度的CH4气氛中进行渗碳处理。(零件被看作是无限长的棒，并假定碳在奥氏体中的扩散系数为一常数)初始条件t=0，C=C0，C0为钢的原始含碳量。边界条件t＞0

3、，误差函数特征：1）图形对称，erf(-Z)=-erfZ；2）erf(0)=0，erf(0.5)=0.5；3）erf(∞)=1，erf(-∞)=-1有一20钢齿轮气体渗碳，渗碳温度是927℃，炉内渗碳气氛控制使工件表面含碳量为0.9%，试计算距表面0.5mm处含碳量达到0.4%时所需的时间（假定碳在927℃时的扩散系数D=1.28×10-11m2·s-1）。例题1将纯铁放于渗碳炉内渗碳，假定渗碳温度为920℃，渗碳介质碳浓度Cs＝1.2％，D＝1.5xl0-11m2／s，t＝10h。(1)求表层碳浓度分布；(2)如规定渗层深度为表面至0.3％C处的深度，求渗层深度。例题2

4、半导体硅片的掺杂x利用一薄膜从气流中分离氢气。在稳定状态时，薄膜一侧的氢浓度为0.025mol/m3,另一侧的氢浓度为0.0025mol/m3，并且薄膜的厚度为100μm。假设氢通过薄膜的扩散通量为2.25×10-6mol/（m2s），求氢的扩散系数。H2c1c2D=10-8m2/s练习题：第二节扩散机制间隙扩散空位扩散在间隙固溶体中溶质原子的扩散是从一个间隙位置跳到近邻的另一间隙位置，发生间隙扩散。间隙机制间隙扩散扩散系数扩散系数v：原子自身振动的频率；Z：间隙原子紧邻的位置数；P：间隙原子能够跃迁到新位置的几率。为每秒钟间隙原子跃迁的次数令扩散激活能lnDlnD01/

5、Tk=-Q/R扩散系数与温度的关系空位扩散通过原子与空位交换位置即实现原子的迁移，称为空位机制。自扩散自扩散激活能（空位形成能和空位迁移能）互扩散与柯肯达尔效应柯肯达尔效应：对于纯金属和置换式固溶体，当两者发生互扩散时，由于两种原子的扩散速率不同使界面产生移动，通常移向原子扩散速率较大的一方的现象。扩散系数的计算间隙原子在任何立方晶系中的扩散简单立方，面心立方，体心立方，空位扩散对于bcc晶体，f=0.72；对于fcc晶体，f=0.78。设A、B两组元构成的晶体对焊在一起构成一对扩散偶，高温长时间加热后A、B组元扩散速率不同而产生柯肯达尔效应，界面移动，在此前提下推导出运

6、用扩散第二定律有：互扩散系数第三节影响扩散的因素及扩散驱动力影响扩散的因素由扩散第一定律可得，影响扩散的因素主要有D0、Q和T。频率因子（D0）间隙扩散中通常其值为5×10-6～5×10-4m2·s-1，故对扩散过程影响较小。空位扩散中扩散激活能Q扩散机制：间隙扩散；空位扩散。晶体结构：结构不太紧密的晶体中，原子扩散容易。原子结合力：结合键强，熔点高，激活能大，扩散不易。合金成分：间隙固溶体：溶质浓度高，扩散容易；置换固溶体：使熔点降低的元素，合金D升高，反之亦然。温度温度越高，扩散系数越大，扩散速率越快。T与D成指数关系，对扩散影响较大。例：碳在γ-Fe中扩散时，D0=

7、2×10-5m2/s，Q=140×103J/mol。D1200=1.61×10-11m2/s；D1300=4.74×10-11m2/s。晶体缺陷晶界和表面处原子排列不紧密，不规则，能量较高，扩散激活能低，即QL>Qgb>Qs，故扩散系数关系为Ds>Dgb>Dl。晶界扩散与体扩散的相对贡献以衡量。下坡扩散：原子由浓度高处流向浓度低处；上坡扩散：原子由浓度低处流向浓度高处。驱动力：化学位梯度的存在。化学力，流量由热力学可知扩散驱动力例题：综合分析扩散的驱动力及上坡扩散。（1）菲克第一定律指出扩散由高浓度向低浓度方向进行，但很多情况