固体中原子及分子的运动.ppt

第四章固体中原子及分子的运动 气体 扩散 对流 固体 扩散 液体 扩散 对流 金属 陶瓷 高分子 键属金 离子键 共价键 扩散过程的分类 按浓度 互扩散 自扩散按方向 顺扩散 逆扩散按路径 体扩散 表面扩散 晶界扩散 怎样研究扩散 表象理论 原子理论 影响因素 实际应用 4 1表象理论 Fe C合金 碳源 固体物质间的扩散 高碳含量区域 低碳含量区域 碳的扩散方向 Fe C合金 碳源 4 1 1菲克第一定律 Fick sfirstlaw J 扩散通量 massflux kg m2 s D 扩散系数 diffusivity m2 s 质量浓度 kg m3 浓度梯度 4 1 2菲克第二定律大多数扩散过程是非稳态扩散过程 某一点的浓度是随时间而变化的 这类过程可由菲克第一定律结合质量守恒条件导出来处理 下式为菲克第二定律 该方程称为菲克第二定律或扩散第二定律 如果假定D与浓度无关 则上式可简化为 菲克第二定律普遍式为 不同坐标系中的菲克第二定律 柱坐标系中 柱对称扩散 D与浓度无关菲克第二定律的表达应用 分析纯铁空心圆筒的高温渗碳问题 球坐标系中 球对称扩散 D与浓度无关菲克第二定律的表达 应用 分析过饱和固溶体析出第二相的过程 4 1 3菲克扩散定律的应用 模型 氢通过金属膜的扩散达到稳态时的边界条件 C x 0 C2C x C1求解结果 氢在金属膜的浓度为线性分布 应用 测定碳在 Fe中的扩散系数 l r 稳态时 单位时间内通过半径为r r2 r r1 的圆柱管壁的碳量为常数 q t 结论 1 当lnr与 呈直线关系时 D与碳浓度无关2 当lnr与 为曲线关系时 D是碳浓度的函数 球坐标中菲克第二定律的求解模型描述模型的边界条件球对称稳态扩散 分析过饱和固溶体析出第二相的形核与长大 模型 两端成分不受扩散影响的扩散偶边界条件 C t 0 x 0 C1C t 0 x0 x C1C t 0 x C2求解结果 模型 一端成分不受扩散影响的扩散体边界条件 C t 0 x 0 C0C t 0 x 0 CsC t 0 x C0求解结果 假定渗碳一开始 渗碳源一端表面就达到渗碳气氛的碳质量浓度rs 则 模型 衰减薄膜源在金属B的长棒一端沉积一薄层金属A 将这样的两个样品连接起来 就形成在两个金属B棒之间的金属A薄膜源 然后将此扩散偶进行扩散退火 那么在一定的温度下 金属A溶质在金属B棒中的浓度将随退火时间t而变 求解结果 当扩散系数与浓度无关时 这类扩散偶的方程解是 4 1 4柯肯达尔效应 柯肯达尔实验描述黄铜与铜构成扩散偶 钼丝仅为参照物 不扩散 黄铜熔点低于铜 扩散组元为铜和锌 铜和锌构成置换式固溶体 扩散在785 C进行 柯肯达尔实验结果 实验结果的分析讨论 假设铜 锌的扩散系数相等 相对钼丝进行等原子的交换 由于锌的原子尺寸大于铜 扩散后外围的铜点阵常数增大 而内部的黄铜点阵常数缩小 使钼丝向内移 如果点阵常数的变化是钼丝移动的唯一原因 那么移动的距离只应该有观察值的十分之一左右 实验结果只能说明 扩散过程中锌的扩散流要比铜的扩散流大得多 这个大小的差别是钼丝内移的主要原因 而且还发现标志面移动的距离与时间的平方根成正比 在Cu Sn Cu Ni Cu Au Ag Au Ag Zn Ni Co Ni Cu Ni Au等置换式固溶体中都会