文档介绍：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,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)
=(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/(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。
: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
: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>C1
2)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