材料科學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)擴(kuò)散現(xiàn)象與擴(kuò)散方程課件

第七章材料中的原子擴(kuò)散擴(kuò)散定律及其應(yīng)用擴(kuò)散機(jī)制影響擴(kuò)散的因素及擴(kuò)散驅(qū)動力幾個特殊的有關(guān)擴(kuò)散的實(shí)際問題固態(tài)相變中的形核概述固態(tài)相變的晶體成長下頁返回概述擴(kuò)散唯象方法——唯象理論（宏觀規(guī)律）微觀方法——原子理論（微觀理論）唯象理論：既不考慮擴(kuò)散系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，也不考慮擴(kuò)散擴(kuò)散原子的遷移機(jī)構(gòu)，把擴(kuò)散系統(tǒng)看成是連續(xù)的介質(zhì)，通過建立和求解微分方程、研究擴(kuò)散過程中擴(kuò)散物質(zhì)的濃度時間和空間坐標(biāo)的變化及擴(kuò)散物質(zhì)的遷移規(guī)律，或反過來根據(jù)唯象的結(jié)果和關(guān)系求解唯象系數(shù)（擴(kuò)散系數(shù)）。下頁后退固態(tài)擴(kuò)散固體中由于原子的熱運(yùn)動所造成的物質(zhì)傳輸過程。在晶體中，原子在其平衡位置上作快速熱振動，若因某種原因（如溫度升高）使一些原子能量增大到足以克服周圍原子的束縛，這些原子就可以在熱振動過程中躍遷到鄰近的位置上去如果這種躍遷不斷地繼續(xù)下去就形成舞質(zhì)的傳輸。后退下頁返回第一節(jié)擴(kuò)散定律及其應(yīng)用一、擴(kuò)散現(xiàn)象純金屬中的自擴(kuò)散間隙固溶體中的間隙原子擴(kuò)散置換固溶體中的溶質(zhì)介質(zhì)和溶劑原子的互擴(kuò)散大量原子遷移的宏觀效果就是擴(kuò)散下頁后退二、Fick第一定律在穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散（）的條件下，單位時間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截面面積的擴(kuò)散物質(zhì)的通量與濃度梯度成正比。反映擴(kuò)散能力和決定擴(kuò)散過程的重要，“-”表示擴(kuò)散方向與x方向相反,即擴(kuò)散濃度由高處向低處的方向進(jìn)行。下頁后退擴(kuò)散第二定律D—常數(shù)下頁后退四、擴(kuò)散方程的應(yīng)用

誤差函數(shù)解1.無限長棒的擴(kuò)散第二方程解設(shè)有兩根很長且截面均勻的合金棒，棒A1濃度C2,棒B濃度C1（C2>C1），將兩棒對焊，其焊面垂直于x軸，然后加熱進(jìn)行擴(kuò)散。x>0,則C=C1初始條件：t=0,x<0,則C=C2x=∞,則C=C1邊界條件：t≥0,x=-∞,則C=C2擴(kuò)散偶中非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散下頁后退返回下頁說明（1）可確定不同時間t和距界面厚度不同處x的濃度

C=f(x,t);（2）當(dāng)距離界面x處的濃度為一不確定值時，則擴(kuò)散所需時間t將與層深x2成正比關(guān)系；（3）當(dāng)x=0時,即在擴(kuò)散過程中界面上的濃度恒定不變；（4）如擴(kuò)散偶之一不存在原子濃度時，C1=0，則：下頁后退2.半無限長棒的擴(kuò)散方程解0xC2初始條件：t=0,C=C2x=∞,則C=C1邊界條件：t≥0,x=0,則C=C2其解：鋼鐵的滲碳即可作為半無限長棒處理，對于初始含量碳為C2的工件，置于溫度為T的滲碳?xì)夥罩?，在擴(kuò)散過程中初始保持工件表面的碳濃度為C1,且C1>C2，則距表面x處的碳濃度即可用上述解。下頁后退3.在滲碳問題中，常規(guī)定碳濃度作為滲碳層的界限，令此給定值為C0，距表面為x處，則：式中左邊為已知量，查表7-1，反查求得的數(shù)值，設(shè),則滲碳層厚度：表明滲層厚度與滲碳時間及擴(kuò)散系數(shù)D的平方根成正比。下頁后退第二節(jié)擴(kuò)散機(jī)制一、擴(kuò)散的微觀機(jī)制概述空位機(jī)制間隙機(jī)制自間隙機(jī)制原子躍遷的距離：二、互擴(kuò)散和柯肯達(dá)爾效應(yīng)由于原始界面的移動，界面移向原子擴(kuò)散速率較大的一方，這種現(xiàn)象稱為柯肯達(dá)而效應(yīng)。下頁后退三、擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算：—原子的跳動頻率，取決與原子本性和溫度?！w方向幾率—躍遷距離后退下頁四、擴(kuò)散激活能間隙擴(kuò)散激活能空位擴(kuò)散激活能D0—擴(kuò)散常數(shù)

—間隙擴(kuò)散激活能。代表間隙擴(kuò)散時間隙溶質(zhì)原子跳動所需的額外內(nèi)能—空位形成能●下頁后退第三節(jié)影響擴(kuò)散的因素與擴(kuò)散驅(qū)動力一、影響擴(kuò)散的因素1、D0、Q、T的影響擴(kuò)散系數(shù)D可用下式表示：D——擴(kuò)散常數(shù)，Q——擴(kuò)散激活能R——?dú)怏w常數(shù)，T——熱力學(xué)溫度后退下頁2、影響激活能Q的主要因素（1）擴(kuò)散機(jī)制（2）晶體結(jié)構(gòu)（3）原子結(jié)合力（4）合金成分影響因素內(nèi)因：組織、結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分外因：溫度、應(yīng)力、壓力、介質(zhì)下頁后退（1）溫度增高，原子振動能增加，借助于能量起伏而越過勢壘進(jìn)行遷移的原子幾率越大。（2）溫度增高，金屬內(nèi)部的空位濃度提高，有利于擴(kuò)散。

溫度是影響擴(kuò)散系數(shù)的最主要因素，D與T成指數(shù)關(guān)系，隨著溫度的升高，擴(kuò)散系數(shù)急劇增大，擴(kuò)散加劇，這是由于：一、溫度后退下頁1.有些金屬存在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，當(dāng)它們的晶體結(jié)構(gòu)改變后，擴(kuò)散系數(shù)也隨之改變。例如：Fe在912℃發(fā)生轉(zhuǎn)變時，

α–Fe的自擴(kuò)散系數(shù)大約是中自擴(kuò)散系數(shù)的245倍。2.所有元素在中的擴(kuò)散系數(shù)都比在中的大。例如：后退下頁900℃時，Ni在中的擴(kuò)散系數(shù)比中擴(kuò)散系數(shù)約大1400倍。527℃時，N在中的擴(kuò)散系數(shù)比中擴(kuò)散系數(shù)約大1500倍。原因：致密度K小原子緊密堆垛，結(jié)構(gòu)中空隙大，原子較易擴(kuò)散。致密度K大后退下頁（2）不能形成穩(wěn)定碳化物,但易溶解于碳化物中的元素，如錳（Mn）、它們對碳的擴(kuò)散系數(shù)影響不大。（3）不形成碳化物而溶于固溶體中的元素,如鈷（Co）、鎳（Ni）、硅（Si）等，它們的影響個不相同。Co、Ni提高碳的擴(kuò)散系數(shù),Si則降低碳的擴(kuò)散系數(shù)。

六、擴(kuò)散理論新的研究方法及應(yīng)用后退下頁1.在化學(xué)熱處理中的應(yīng)用（1）微機(jī)控制擴(kuò)散過程（2）擴(kuò)散速度問題快速深層滲氮技術(shù)的應(yīng)用（3）提高表面化學(xué)熱處理效果在相變點(diǎn)A1或A3時循環(huán)加熱,材料表面處于活化狀態(tài)，具有極大擴(kuò)散能力,顯著提高化學(xué)熱處理的滲入效果。后退下頁2.材料中與擴(kuò)散現(xiàn)象相關(guān)過程的擴(kuò)散規(guī)律分析如：分析單晶成長過程中的分凝特性及擴(kuò)散規(guī)律。3.半導(dǎo)體材料鍺和硅，當(dāng)中滲硅時，可提高其性能。后退下頁1.試說明鋼滲碳為什么在奧氏體狀態(tài)下進(jìn)行而不在鐵素體狀態(tài)下進(jìn)行？2.說明晶體中的原子擴(kuò)散機(jī)制？3.舉例說明擴(kuò)散規(guī)律在冶金生產(chǎn)過程和熱處理工藝中的應(yīng)用。4.指明Fick第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式的適用條件？本章思考題后退下頁●擴(kuò)散驅(qū)動力：化學(xué)位梯度Di=MikT[1+]dlnγidlnCi可見，當(dāng)[1+]>0，Di為正值，即為通常的下坡擴(kuò)散。當(dāng)[1+]<0，Di為負(fù)值，即為上坡擴(kuò)散。dlnγidlnCidlnγidlnCi后退下頁返回第四節(jié)有關(guān)擴(kuò)散的實(shí)際問題反應(yīng)擴(kuò)散：伴隨有相變過程的擴(kuò)散反應(yīng)擴(kuò)散取決于兩個因素反應(yīng)速度原子擴(kuò)散速度若由原子擴(kuò)散控制，則反應(yīng)擴(kuò)散厚度與時間呈拋物線關(guān)系。若由反應(yīng)控制，則反應(yīng)擴(kuò)散層厚度與時間呈直線關(guān)系。后退下頁一、離子晶體的擴(kuò)散離子晶體中主要有兩種缺陷，對于主要是肖特基缺陷的擴(kuò)散類似于金屬中的空位擴(kuò)散機(jī)制（圖7-14c）；對于主要是弗蘭克缺陷，則被稱為自間隙機(jī)制（圖7-14a、b）。自間隙機(jī)制與金屬中的間隙機(jī)制不同，它是先產(chǎn)生間隙式的陽離子，使鄰近的處于正常點(diǎn)陣位置的陽離子移位，然后擠入間隙；金屬中間隙原子的擴(kuò)散，一直是在正常的間隙空位中跳動。后退下頁后退下頁二、燒結(jié)燒結(jié)過程如下：將壓實(shí)的粉末加熱到高溫，在初期，相互接觸的顆粒開始逐漸形成頸的連接（圖7-15）燒結(jié)初期主要是表面擴(kuò)散，后期主要是晶界擴(kuò)散。燒結(jié)速率主要取決于兩個因素：①粉末原材料的顆粒粗細(xì)；②原子的擴(kuò)散速率，這決定于溫度。后退下頁后退下頁返回第五節(jié)固態(tài)相變中的形核一、固相的相界面1、共格晶面：新相與母相在界面上原子匹配很好，最理想的情況是兩相的晶體結(jié)構(gòu)相同，晶格常數(shù)也相等，兩者能實(shí)現(xiàn)完全的共格，界面能也最?。▓D7-16a）。如fcc與hcp的共格晶面如圖7-17。2、半共格界面（圖7-16b）。3、非共格界面（圖7-16c）。后退下頁后退下頁返回第六節(jié)固態(tài)相變的晶體成長一、擴(kuò)散控制長大設(shè)合金的成分為C0，現(xiàn)從母相α中析出新相β，新相富含溶質(zhì)原子，成分為Cβ，最初形成的新相為板狀或厚片狀，兩相在界面上的平衡濃度為Ce。板條要加厚，其生長速度決定于界面的遷移速度，必須在界面上獲得溶質(zhì)原子的供應(yīng)，這就要求母相源源不斷地把溶質(zhì)原