《固体中的扩散》PPT课件

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1、第四章固体金属中的扩散一、扩散方程稳态扩散与非稳态扩散二、固溶体合金中的扩散三、扩散的热力学四、扩散机制五、影响扩散的因素六、反应扩散七、扩散问题的实例扩散：当外界提供能量时，固体金属中原子或分子偏离平衡位置的周期性振动，作或长或短距离的跃迁的现象。一、扩散方程稳态扩散与非稳态扩散1．稳态扩散下的菲克第一定律（一定时间内，浓度不随时间变化dc/dt=0）单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（扩散通量）与该面积处的浓度梯度成正比即J=－D（dc/dx）其中D：扩散系数，cm2/s，

2、J：扩散通量，g/cm2·s式中负号表明扩散通量的方向与浓度梯度方向相反。可见，只要存在浓度梯度，就会引起原子的扩散，稳态扩散下的菲克第一定律推导x轴上两单位面积1和2，间距dx，面上原子浓度为C1、C2则平面1到平面2上原子数n1=C1dx平面2到平面1上原子数n2=C2dx若原子平均跳动频率f,dt时间内跳离平面1的原子数为n1f·dt，跳离平面2的原子数为n2fdt，稳态扩散下的菲克第一定律推导沿一个方向只有1/2的几率则单位时间内两者的差值即扩散原子净流量J=（1/2）f（n1-n2）=（

3、1/2）fC1dx-（1/2）fC2dx=f（C2-C1）dx/2令D=（1/2）（dx）2f，则J=-（1/2）（dx）2（dc/dx）=-D（dc/dx）稳态扩散下的菲克第一定律的应用---扩散系数的测定：其中一种方法可通过碳在γ-Fe中的扩散来测定纯Fe的空心园筒，心部通渗碳气氛，外部为脱碳气氛，在一定温度下经过一定时间后，碳原子从内壁渗入，外壁渗出。稳态扩散下的菲克第一定律的应用---扩散系数的测定：碳原子从内壁渗入，外壁渗出达到平衡时，则为稳态扩散单位面积中碳流量：J=q/（At）=q/

4、（2πrLt）A：圆筒总面积，r及L：园筒半径及长度，q：通过圆筒的碳量则J=q/（At）=q/（2πrLt）=-D（dc/dx）=-D（dc/dr）即-D=[q/（2πrLt）]×1/（dc/dr）=[q（dlnr）]/[（2πLt）dc]q可通过炉内脱碳气体的增碳求得，再通过剥层法测出不同r处的碳含量，作出C-lnr曲线可求得D。第一定律可用来处理扩散中浓度不因时间变化的问题，如有些气体在金属中的扩散。3．菲克第二定律：解决溶质浓度随时间变化的情况，即dc/dt≠0两个相距dx垂直x轴的平面组

5、成的微体积，J1、J2为进入、流出两平面间的扩散通量，扩散中浓度变化为，则单元体积中溶质积累速率为（Fick第一定律）菲克第二定律的推导（Fick第一定律）（即第二个面的扩散通量为第一个面注入的溶质与在这一段距离内溶质浓度变化引起的扩散通量之和）若D不随浓度变化，则故4．Fick第二定律的解：很复杂，只给出两个较简单但常见问题的解a.无限大物体中的扩散设：1）两根无限长A、B合金棒，各截面浓度均匀，浓度C2>C12）两合金棒对焊，扩散方向为x方向3）合金棒无限长，棒的两端浓度不受扩散影响4）扩散系

6、数D是与浓度无关的常数根据上述条件可写出初始条件及边界条件初始条件：t=0时,x>0则C=C1，x<0,C=C2边界条件：t≥0时,x=∞,C=C1,x=－∞,C=C2令，代入则则菲克第二定律为，即（1）令代入式（1）则有（2）Fick第二定律的解若代入（2）左边化简有而积分有（3）令，式（3）为由高斯误差积分：应用初始条件t=0时x>0,c=c1,x<0,c=c2,Fick第二定律的解从式（4）求得（5）则可求得（6）将（5）和（6）代入（4）有上式即为扩散偶经过时间t扩散之后，溶质浓度沿x方向

7、的分布公式，其中为高斯误差函数，可用表查出：Fick第二定律的解高斯误差函数Fick第二定律的解无限大物体中扩散应用根据不同条件，无限大物体中扩散有不同情况（1）B金属棒初始浓度C1=0，则C=（C2/2）[1-erf（x/（4Dt）1/2）]（2）求扩散偶焊接面处溶质浓度c0。根据x=0时，β=0，erf（β）=0，则C0=（C1+C2）/2，若B棒初始浓度C1=0，则C0=C2/2，保持不变。Fick第二定律的解----半无限大物体中的扩散b：半无限大物体中的扩散，x近似∞这种情况相当于无限大

8、情况下半边的扩散情况，按图10-5右边求解初始条件:t=0时，x≥0，C=0边界条件:t＞0时，x=0，C=C0，x=∞，C=0可解得方程的解C=C0[1-erf（x/（4Dt）1/2）]Fick第二定律的解无限大物体中扩散应用Fick第二定律的解无限大物体中扩散应用如一根长的纯铁一端放在碳浓度Co不变的气氛中，铁棒端部碳原子达到Co后，同时向右经铁棒中扩散的情形试验结果与计算结果符合很好自扩固态金属中，溶剂原子偏离平衡位置，发生迁移的现象2．互扩散——克肯达尔效应置换式固溶体中，