哈工大崔忠圻老师金属学与热处理课件-第七章---扩散

第七章扩散本章重点:(1)扩散的概念与本质(2)固态金属扩散的条件(3)影响扩散的因素定义：物质中原子或分子通过无规运动导致宏观迁移与传质的现象。└移动距离超过平均原子间距扩散现象：柯肯达尔效应（P214）物质传输方式：气、液：扩散固：扩散——唯一机制1扩散定义与本质对流、本质：大量原子不断克服原子之间能垒，跃迁到邻近位置，实现宏观的物质迁移过程。阻力：邻近原子间势能垒驱动力：热振动原子的能量起伏——与温度有关Q2扩散机制(1)换位扩散—主要机制—小原子——难(2)空位扩散(3)间隙扩散3扩散的条件①存在扩散驱动力——热力学条件梯度：化学位、温度、应力、电场、磁场等②扩散原子与基体有固溶性——前提条件③足够高温度——动力学条件：④足够长时间—宏观迁移的动力学条件4固态扩散的分类通常扩散伴随浓度变化,且高浓度→低浓度但实际上：并非一定如此例如：纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长大(晶界的迁移)——扩散中无浓度变化；又如：奥氏体转变为珠光体时：奥氏体转变为渗碳体时碳由低浓度的奥氏体向高浓度的渗碳体扩散——扩散的种类（类型）不同固态扩散的分类根据扩散中是否发生浓度变化分类①自扩散——扩散中无浓度变化——纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长大——扩散与浓度梯度无关②互(异)扩散——伴随有浓度变化的扩散——不均匀固溶体均匀化过程中异类原子的相对扩散、互相渗透过程——扩散与浓度梯度有关，又称化学扩散根据扩散方向是否与浓度梯度的方向相同分类①下坡扩散——沿浓度降低的方向扩散，即原子由高浓度区向低浓度区扩散。——不均匀固溶体均匀化过程、渗碳等。②上坡扩散——沿浓度升高的方向扩散，即原子由低浓度区向高浓度区扩散。根据扩散中是否析出新相分类①原子扩散——无新相产生。②反应扩散——扩散中有新相产生。要点：扩散的驱动力——化学位梯度，因多数情况下化学位梯度与浓度梯度方向一致，故看起来扩散方向似顺着浓度梯度方向。——温度、应力、电场、磁场等5扩散定律一、扩散第一定律——菲克第一定律J=-D·dC/dxJ：扩散通量，(g/c㎡·s)D：扩散系数(c㎡/s)；dC/dx：浓度梯度适于稳态扩散，正比；dC/dt=0xCⅠⅡC1C2dxJxx+dx二、扩散第二定律（菲克第二定律）非稳态：C（x，t）或dC/dt≠0右图，物质的积存速率：在微小体积Adx内用体积浓度C的变化率表示物质积存速率：化简：——扩散第二定律(菲克第二定律)适于非稳态即dC/dt≠0将扩散第一定律J=-D·dC/dx代入：得：当D为常数时(与浓度无关)：扩散第二定律（菲克第二定律）表达式:D为常数时：注意：(1)非稳态扩散——普遍、通用的扩散方程(2)求解难：须对具体扩散条件进行分析后，通过建立边界条件、初始条件以及C表达式的推测，给出特殊的解。——实际中常见的几种解可参考上海科技出版社卢光熙《金属学教程》6影响扩散的因素J=-D·dC/dx→D；dC/dxD=D0·exp(-Q/RT)(1)温度：T↑，D↑——指数关系，原因：振动↑，能量起伏↑；空位↑，(2)基体的组织结构结构类型：致密型Q↑，D↓。例如：Dα-Fe≈240Dγ-Fe(912℃);固溶体相类型：间隙式置换式——Q小思考1：渗碳应当在α-Fe中还是在γ-Fe中进行？思考2：冷加工金属与退火金属的扩散速率谁大？晶体缺陷：缺陷↑，D↑——空位多；表面扩散(3)合金元素A、影响基体点阵中原子间结合力，进而影响原子的扩散激活能Q，影响D。通常：若熔点或液相线↑则Q↑，D↓B、合金元素对钢中碳扩散系数的影响——是否形成碳化物