固體中原子及分子的運動.ppt

第四章固體中原子及分子的運動 氣體 擴散 對流 固體 擴散 液體 擴散 對流 金屬 陶瓷 高分子 鍵屬金 離子鍵 共價鍵 擴散過程的分類 按濃度 互擴散 自擴散按方向 順擴散 逆擴散按路徑 體擴散 表面擴散 晶界擴散 怎樣研究擴散 表象理論 原子理論 影響因素 實際應(yīng)用 4 1表象理論 Fe C合金 碳源 固體物質(zhì)間的擴散 高碳含量區(qū)域 低碳含量區(qū)域 碳的擴散方向 Fe C合金 碳源 4 1 1菲克第一定律 Fick sfirstlaw J 擴散通量 massflux kg m2 s D 擴散系數(shù) diffusivity m2 s 質(zhì)量濃度 kg m3 濃度梯度 4 1 2菲克第二定律大多數(shù)擴散過程是非穩(wěn)態(tài)擴散過程 某一點的濃度是隨時間而變化的 這類過程可由菲克第一定律結(jié)合質(zhì)量守恒條件導(dǎo)出來處理 下式為菲克第二定律 該方程稱為菲克第二定律或擴散第二定律 如果假定D與濃度無關(guān) 則上式可簡化為 菲克第二定律普遍式為 不同坐標系中的菲克第二定律 柱坐標系中 柱對稱擴散 D與濃度無關(guān)菲克第二定律的表達應(yīng)用 分析純鐵空心圓筒的高溫滲碳問題 球坐標系中 球?qū)ΨQ擴散 D與濃度無關(guān)菲克第二定律的表達 應(yīng)用 分析過飽和固溶體析出第二相的過程 4 1 3菲克擴散定律的應(yīng)用 模型 氫通過金屬膜的擴散達到穩(wěn)態(tài)時的邊界條件 C x 0 C2C x C1求解結(jié)果 氫在金屬膜的濃度為線性分布 應(yīng)用 測定碳在 Fe中的擴散系數(shù) l r 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(dāng)lnr與 呈直線關(guān)系時 D與碳濃度無關(guān)2 當(dāng)lnr與 為曲線關(guān)系時 D是碳濃度的函數(shù) 球坐標中菲克第二定律的求解模型描述模型的邊界條件球?qū)ΨQ穩(wěn)態(tài)擴散 分析過飽和固溶體析出第二相的形核與長大 模型 兩端成分不受擴散影響的擴散偶邊界條件 C t 0 x 0 C1C t 0 x0 x C1C t 0 x C2求解結(jié)果 模型 一端成分不受擴散影響的擴散體邊界條件 C t 0 x 0 C0C t 0 x 0 CsC t 0 x C0求解結(jié)果 假定滲碳一開始 滲碳源一端表面就達到滲碳氣氛的碳質(zhì)量濃度rs 則 模型 衰減薄膜源在金屬B的長棒一端沉積一薄層金屬A 將這樣的兩個樣品連接起來 就形成在兩個金屬B棒之間的金屬A薄膜源 然后將此擴散偶進行擴散退火 那么在一定的溫度下 金屬A溶質(zhì)在金屬B棒中的濃度將隨退火時間t而變 求解結(jié)果 當(dāng)擴散系數(shù)與濃度無關(guān)時 這類擴散偶的方程解是 4 1 4柯肯達爾效應(yīng) 柯肯達爾實驗描述黃銅與銅構(gòu)成擴散偶 鉬絲僅為參照物 不擴散 黃銅熔點低于銅 擴散組元為銅和鋅 銅和鋅構(gòu)成置換式固溶體 擴散在785 C進行 柯肯達爾實驗結(jié)果 實驗結(jié)果的分析討論 假設(shè)銅 鋅的擴散系數(shù)相等 相對鉬絲進行等原子的交換 由于鋅的原子尺寸大于銅 擴散后外圍的銅點陣常數(shù)增大 而內(nèi)部的黃銅點陣常數(shù)縮小 使鉬絲向內(nèi)移 如果點陣常數(shù)的變化是鉬絲移動的唯一原因 那么移動的距離只應(yīng)該有觀察值的十分之一左右 實驗結(jié)果只能說明 擴散過程中鋅的擴散流要比銅的擴散流大得多 這個大小的差別是鉬絲內(nèi)移的主要原因 而且還發(fā)現(xiàn)標志面移動的距離與時間的平方根成正比 在Cu Sn Cu Ni Cu Au Ag Au Ag Zn Ni Co Ni Cu Ni Au等置換式固溶體中都會