Ch固體材料中的原子擴散實用

會計學(xué)1Ch固體材料中的原子擴散實用說明

在固體材料中也存在擴散，并且它是固體中物質(zhì)傳輸?shù)奈ㄒ环绞?。因為固體不能象氣體或液體那樣通過流動來進行物質(zhì)傳輸。即使在純金屬中也同樣發(fā)生擴散，用參入放射性同位素可以證明。擴散在材料的生產(chǎn)和使用中的物理過程有密切關(guān)系，例如：凝固、偏析、均勻化退火、冷變形后的回復(fù)和再結(jié)晶、固態(tài)相變、化學(xué)熱處理、燒結(jié)、氧化、蠕變等等。第1頁/共28頁一、穩(wěn)態(tài)擴散與菲克第一定律菲克(A.Fick)在1855年總結(jié)出的，數(shù)學(xué)表達式為：J為單位時間通過垂直于擴散方向的單位面積的擴散物質(zhì)的通量，單位是為溶質(zhì)原子的濃度梯度；負號表示物質(zhì)總是從濃度高處向濃度低的方向遷移；比例常數(shù)D稱為擴散系數(shù)，單位為第2頁/共28頁Forbinary,single-phasesystem溶質(zhì)原子的流動方向第3頁/共28頁For3dimensionaldiffusion:第4頁/共28頁第5頁/共28頁平視方向俯視方向應(yīng)用：測定碳在-Fe中的擴散系數(shù)2r2l2r12r12r2l>>r1000C[C]第6頁/共28頁穩(wěn)態(tài)時:

單位時間內(nèi)通過半徑為r(r2<r<r1)

的圓柱管壁的碳量為常數(shù):q/t結(jié)論：1.當lnr與c呈直線關(guān)系時，

D與碳濃度無關(guān)2.當lnr與c為曲線關(guān)系時，

D是碳濃度的函數(shù)=常數(shù)

徑向通量：J=

=-D=-D由菲克第一定律得：第7頁/共28頁推導(dǎo)過程：菲克第一定律+質(zhì)量守恒xx1x2dxJ1J2J1J2通量質(zhì)量濃度擴散通量為J1的物質(zhì)經(jīng)過體積元后的變化通量和距離的瞬時關(guān)系濃度和距離的瞬時變化A非穩(wěn)態(tài)擴散d/dt0二、非穩(wěn)態(tài)擴散與菲克第二定律第8頁/共28頁在體積元(Adx)內(nèi)J1AJ2A=J1A+體積元內(nèi)擴散物質(zhì)質(zhì)量的積存速率：積存速率=流入速率-流出速率菲克第二定律第9頁/共28頁

無限長棒中的擴散模型

實際意義：將溶質(zhì)含量不同的兩種材料焊接在一起，因為濃度不同，在焊接處擴散進行后，溶質(zhì)濃度隨時間的會發(fā)生相應(yīng)的變化。

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無限長棒擴散方程的誤差函數(shù)解解為：利用高斯誤差函數(shù)一維無限長棒中擴散方程誤差函數(shù)解：第11頁/共28頁

擴散方程的誤差函數(shù)解應(yīng)用例一

例一：有一20鋼齒輪氣體滲碳，爐溫為927℃，爐氣氛使工件表面含碳量維持在0.9％C,這時碳在鐵中的擴散系數(shù)為D＝1.28x10－11m2s-1,試計算為使距表面0.5mm處含碳量達到0.4%C所需要的時間?解：可以用半無限長棒的擴散來解：第12頁/共28頁

擴散方程的誤差函數(shù)解應(yīng)用例二例二：上例中處理條件不變，把碳含量達到0.4％C處到表面的距離作為滲層深度，推出滲層深度與處理時間之間的關(guān)系，層深達到1.0mm則需多少時間?解：因為處理條件不變在溫度相同時，擴散系數(shù)也相同，因此滲層深度與處理時間之間的關(guān)系：因為x2/x1=2，所以t2/t1=4，這時的時間為

34268s=9.52hr第13頁/共28頁無限長擴散偶的濃度——距離曲線第14頁/共28頁擴散組元濃度隨時間、位置的變化曲線

第15頁/共28頁晶內(nèi)偏析按正弦波處理

第16頁/共28頁§7.2擴散機制

間隙機制

空位機制第17頁/共28頁a易位擴散

b環(huán)形擴散

c間隙擴散

d準間隙擴散e空位擴散第18頁/共28頁討論：

在以上各種擴散中，

1.易位擴散所需的活化能最大。

2.由于處于晶格位置的粒子勢能最低，在間隙位置和空位處勢能較高：故空位擴散所需活化能最?。蚨瘴粩U散是最常見的擴散機理，其次是間隙擴散和準間隙擴散。第19頁/共28頁柯肯達爾(Kirkendall)效應(yīng)

為了證實在代位擴散過程中存在晶格數(shù)量的變化，Kirkendall在1947做過如下實驗，在Cu－30%Zn的合金兩邊焊上純銅，并在焊縫處加入一些細的Mo絲作標記，如圖所示。

先測定標記之間的距離，放置在785℃下保溫(為加快擴散速度)。經(jīng)過一天(24hr)后再測量，發(fā)現(xiàn)標記之間的距離縮短了0.0015cm；經(jīng)過56天后，標記之間的距離縮短了0.0124cm。

在含有濃度梯度的置換固溶體中，埋入一個惰性標記，由于兩組元擴散能力不相等，經(jīng)過擴散后會引起標記的移動。這個現(xiàn)象以后就成為柯肯達爾(Kirkendall)效應(yīng)。

第20頁/共28頁擴散激活能第21頁/共28頁§7.3反應(yīng)擴散Fe-N相圖第22頁/共28頁純鐵滲氮層的結(jié)構(gòu)和氮含量的變化第23頁/共28頁§7.4影響擴散的因素

溫度原子鍵合力固溶體類型晶體結(jié)構(gòu)化學(xué)成分合金元素對碳在Υ-Fe中的擴散系數(shù)的影響第24頁/共28頁單晶體銀和多晶體銀的自擴散系數(shù)晶體缺陷第25頁/共28頁A0.05cmlayerofMgOisdepositedbetweenlayersofNiandTatoprovideadiffusionbarrierthatpreventsreactionsbetweenthetwometals.At1400℃,NiionsarecreatedanddiffusethroughtheMgOceramictotheTa.DeterminethenumberofnickelionsthatpassthroughtheMgOpersecond.ThediffusioncoefficientofNiionsinMgOis9×10