材料中的原子扩散

第六章材料中的扩散扩散对于材料的加工过程具有重要影响SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E材料中的原子扩散扩散：物质中原子或分子由于热运动而进行的一种迁移过程传质的方式：对流和扩散扩散是固体中物质传输的唯一方式扩散现象主要内容：扩散的基本规律扩散的微观机制扩散的驱动力影响扩散的因素扩散现象扩散第一定律（Fick)定律内容：在稳态扩散条件下，单位时间内通过垂直于扩散方向某一截面积的扩散物质流量（扩散通量）与该截面处的浓度梯度成正比数学表达：扩散第二定律©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.Thefluxduringdiffusionisdefinedasthenumberofatomspassingthroughaplaneofunitareaperunittime注意量纲（comparewithheattransfer)扩散定律适用条件

1菲克(FickA)第一定律（2）表达式：J=-D(dc/dx)。（C－溶质原子浓度；D-扩散系数。）（3）适用条件：稳态扩散-dc/dt=0,浓度及浓度梯度不随时间改变。

扩散的原子理论原子的热运动-原子的跃迁频率P-跃迁到另一位置的几率（跃迁的方向几率）n1-晶面1上单位面积的原子数目n1n2-晶面2上单位面积的原子数目n2J=(n1-n2)P对于简单立方:D=1/6a2;12x扩散激活能扩散第二定律适用于非稳态扩散扩散第二方程的推导扩散物质的质量平衡关系：输入的物质量-输出的物质量=物质的累积质量或流入率-流出率=累积率在微元体内积存速率为：还可表示为：结合Fick第一定律得出扩散第二方程：扩散方程的应用扩散方程的应用间隙扩散扩散第二方程可用于求解扩散中的试件的浓度分布代位扩散柯肯达耳效应测定扩散系数扩散第二定律的应用（扩散系数与浓度无关的非稳态扩散）扩散方程的解扩散的边界条件不同则解不同扩散第二定律的具体应用实例在扩散偶上的应用两端成分不受扩散影响的扩散偶一端成分不受扩散影响的扩散偶渗碳：零件初始浓度为C0,表面达到Cs.如脱碳呢？扩散第二定律的具体应用实例例1有一20钢齿轮气体渗碳，渗碳温度为927℃，炉内渗碳气氛控制使工件表面含碳量为0.9%,计算距表面0.5mm处含碳量达到0.4%时所需要的时间.假定D=1.28X10-11m2s--1.若将渗层加深一倍，则需要多长时间？例2钢加热时若表面碳含量立即降至0%,则脱碳后表层碳含量分布如何?求碳含量为1.3%的钢在927℃保温10小时后碳含量距离曲线.扩散的微观机制扩散的微观机制原子的扩散途径表面扩散、晶界扩散、位错扩散和晶格扩散（体扩散）体扩散的微观机制空位机制和间隙机制扩散的原子理论空位机制—置换型固溶体中扩散的主要机制间隙机制—间隙固溶体中扩散的主要机制间隙扩散激活能含义：原子在跃迁时所需克服周围原子对其束缚的势垒间隙扩散激活能几种扩散系统的D0和Q的近似值见P284的表7-2空位扩散激活能空位扩散激活能扩散常数与扩散激活能的求解ThediffusioncoefficientDcontainsthetemperaturedependenceofthejumpfrequencyaswellastheinformationaboutinterplanardistances.Takingthelogarithmform:1/TLnDLnD0M=-Q/RExampleForlowconcentrationofZninCu,thediffusioncoefficientofZnhasbeenmeasuredtobe3.67X10-11cm2/sat1000Kand8.32X10-18cm2/sat600K.Determinetheactivationenergyforthisprocessandthendeterminethevalueofthediffusioncoefficientat450K.作业(c)=0.85%的普碳钢加热到900℃在空气中保温1h后外层碳浓度降到为0。（1）推导脱碳扩散方程的解，假定t>0时，x=0处，c=0。（2）假如要求零件外层的碳浓度为0.8%,表面应车去多少深度？（D=1.1X10-7cm2/s)置换扩散中的柯肯达耳（Kirkendall)现象含义:由于两组元的原子以不同的速率相对扩散而引起的标记面漂移现象结果：标记移动（向扩散快的方向）大量小孔洞出现；原因：原子半径的差异；扩散速度不等；意义：证明了空位扩散的存在CuNiJCuJNiCuNi∆x置换扩散中的柯肯达耳效应若i组元原子的浓度为Ci，以速度v运动，则通量J=Civ如：Cu-Al;Fe-CrCuNiJCuJNiCuNi∆x扩散的微观机制影响扩散的因素温度的影响原子键力和晶体结构扩散机制晶体缺陷合金成分温度温度随着温度的升高扩散系数增大固溶体实际的扩散过程都在高温下进行见表7-3扩散机制晶体结构：原子排列越紧密，结合力越强，Q越高，扩散系数越小原子键力：原子键力越强，扩散激活能Q越高，扩散系数越小固溶体类型：间隙固溶体中的扩散大于置换固溶体中的扩散；在置换固溶体中，组元原子尺寸差别越小，电负性相差越大，Q越高，则扩散系数越小扩散组元浓度的影响晶体缺陷激活能Q晶体缺陷晶界扩散又称短程扩散，快于体扩散原因：晶界处原子排列不规则，点阵畸变严重，空位密度和空位迁移率均比晶内高多晶体扩散系数比单晶体扩散大，并且温度越低差别越大位错的影响第三组元的影响第三组元的影响影响扩散能力以合金元素对碳在－Ｆe中的扩散系数影响为例形成碳化物的元素降低碳的扩散，如Ｗ、Ｍo、Ｃr不形成碳化物的元素提高加速碳的扩散，如Ｃo、Ｎi溶入碳化物的元素几乎无影响，如Ｍn影响扩散方向扩散驱动力上坡扩散：物质由高浓度向低浓度传输下坡扩散：物质由低浓度向高浓度传输，实质是原子从高化学位向低化学位区迁移而使系统自由能降低的自发过程化学位：系统中组元摩尔原子浓度的微小变化所引起的系统摩尔吉布斯自由能的变化率驱动力：化学位梯度F=-dμ/dx

发生下坡扩散是由于系统中A-A键和B-B键的结合力远大于A-B键结合力的结果影响扩散的因素为什么钢铁零件渗碳温度一般要选择γ相区中进行？若不在γ相区进行会有什么结果？指出以下概念中的错误。（1）

如果固溶体中不存在扩散流，则说明原子没有扩散。（2）

因固体原子每次跳动方向是随