滲碳過程碳濃度分布數(shù)值模擬

1、姓 名： 學(xué) 號：課程名稱：傳輸原理實驗名稱：滲碳過程碳濃度分布數(shù)值模擬實驗序號： 實驗日期：實驗室名稱：同組人： 實驗成績： 總成績：實驗報告教師評語：教師簽字： 年月日1、 知識儲備1.1間隙擴(kuò)散（滲碳） 非穩(wěn)態(tài)過程1.2擴(kuò)散方程的建立： 在傳質(zhì)方向上微體積單元中進(jìn)行質(zhì)量平衡計算 流入質(zhì)量流出質(zhì)量=其中質(zhì)量的累積21 流入率流出率=累積率dx 流入率= ； 流出率= 累積率 D 即： 菲克第二定律 注: D為擴(kuò)散系數(shù)，單位 ； 且T 二、物理描述(圖像為大致走勢) 2.1氣體滲碳 （20#鋼）C%2.1.1濃度分布920 - - - - - - - - - - - - - - - - -

2、- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 0.2- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - T0X（mm） （局部鐵碳相圖翻轉(zhuǎn)） 2.1.2 表層濃度與時間關(guān)系 C% - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

3、 - - - - - - - - - - 2.2 離子滲碳（20#鋼）2.2.1濃度分布- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -920 C%0.2- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -X(mm)X(mm) T （局部鐵碳相圖翻轉(zhuǎn)）2.2.2表層濃度與時間關(guān)系 C% - -

4、- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 三、數(shù)學(xué)模型及其解3.1擴(kuò)散方程：，若D與濃度無關(guān)，則3.2初始邊界條件 初始： 邊界：3.3方程解：3.3.1氣體滲碳傳遞系數(shù) cm/s3.3.2離子滲碳（）4、 濃度分布4.1氣體滲碳（溫度930置于碳勢1.2%環(huán)境滲碳，時間從初始的10分鐘往上逐次遞增，遞增量為1小時?？偣卜抡媪?種不同擴(kuò)散時間的圖線）簡介：氣體滲碳是為了增加鋼件表層的含碳量和一定的碳濃度梯度，將鋼件

5、在滲碳介質(zhì)中加熱并保溫使碳原子滲入鋼件表層的化學(xué)熱處理工藝稱為滲碳，滲碳鋼一般采用普通碳鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，也可采用Q235鋼。分析：氣體滲碳時，為非穩(wěn)態(tài)問題。隨時間增加形成系列濃度分布等等。擴(kuò)散速度與離子擴(kuò)散相比更慢，表層達(dá)到外部碳勢需要一定時間，隨時間增加，表層碳濃度逐漸趨近于外部碳勢。由圖中可以看出，越靠近表層，斜率即碳濃度梯度越大。隨層深增加，濃度基本等于20#鋼自身碳濃度0.2%。4.2離子滲碳 （20#鋼置于1.0%的碳勢中，分別在860，900，930時進(jìn)行離子滲碳）簡介：離子滲碳, 亦稱輝光滲碳, 它不能說是一種新的熱處理方法, 而只能說是一項新的熱處理工藝,

6、、滲碳是將較廉價的, 且處有良好成型性、延使性的低碳、低碳合金鋼母體材料在碳基氣氛中加熱, 使活性碳滲入母材表面而形成強(qiáng)韌耐磨表面的一種熱處理方法。而離子滲碳則在子活性碳是由碳?xì)浠衔餁怏w在真空等離子區(qū)中通過直流輝光放電被電離而獲得其原理與離子氮化相似。分析：非穩(wěn)態(tài)離子滲碳過程。三條曲線走勢基本呈相同規(guī)律。碳濃度分布方程：。由公式可以看出，當(dāng)層深X為零時，項等于一，即。于是就反映出離子滲碳速度較快，表層達(dá)到外部碳勢基本不需要時間的特點。類比一維熱傳導(dǎo)問題：溫度場分布函數(shù)解為，可以發(fā)現(xiàn)我們探究的碳濃度分布與溫度場分布的解極為相似。與熱傳導(dǎo)問題相比，滲碳擴(kuò)散過程的擴(kuò)散系數(shù)D與熱傳導(dǎo)過程導(dǎo)溫系數(shù)在公

7、式里所處的運(yùn)算環(huán)境一致，并且單位也完全相同為。也就是說，擴(kuò)散系數(shù)對濃度分布的影響與導(dǎo)溫系數(shù)對溫度分布的影響一致。擴(kuò)散系數(shù)越大，擴(kuò)散速度越快。根據(jù)擴(kuò)散系數(shù)定義式可以看出，擴(kuò)散系數(shù)與溫度和激活能有關(guān)。而lnD與1/T有右圖的關(guān)系： 于是，隨溫度增加，擴(kuò)散系數(shù)增大，擴(kuò)散速度越快，體現(xiàn)在圖 lnD1/T中的位置關(guān)系也表明，在同一層深位置，溫度越高，碳濃度更大。 4.3氣體滲碳與離子滲碳比較4.3.1 20#鋼摻雜合金元素后的氣體滲碳及離子滲碳 （摻雜Mn,Ti等元素后的20#鋼的氣體及離子滲碳） 離子滲碳時, 能很快形成比普通氣體滲碳高得多的表面碳濃度, 這種較陡的碳濃度梯度導(dǎo)致擴(kuò)散進(jìn)程加快。經(jīng)驗證明

8、離子滲碳時問比氣體滲碳時間縮短50%。 4.3.2 20#鋼的氣體滲碳及離子滲碳 （時間3600s，溫度為930的氣體滲碳，不同碳勢下碳濃度分布） （時間3600s，溫度為930的離子滲碳，不同碳勢下碳濃度分布） 分析：外部碳勢分別為0.8%、1.0%、1.2%、1.3%時，氣體滲碳和離子滲碳曲線大致規(guī)律一致。但不難發(fā)現(xiàn)，氣體滲碳明顯落后于離子滲碳。并且，碳勢越低的曲線，曲線斜率減小的越快，即碳濃度梯度越小。- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

9、- - - - - - - -五、離子滲碳過程層深與溫度及時間的關(guān)系（碳濃度已知）前提： c（%） c 對于20#鋼，當(dāng)給定c=0.38時 x（m） 帶入原式： =K（常數(shù)） 溫度一定時，D為常數(shù)：拋物線 討論： 時間為定值時，指數(shù)函數(shù)5.1層深與時間關(guān)系 （930時層深與時間關(guān)系） （不同溫度下層深與時間關(guān)系） 分析：可以看出，溫度一定時，層深與時間的確呈拋物線關(guān)系，隨時間的增加，斜率逐漸變小，即層深增大的越來越慢。并且不同溫度下，層深與時間的關(guān)系如上。不難得到，溫度越大，層深隨時間增大的速度越大。與此同時，化學(xué)組成不同時，曲線的區(qū)別也比較大，CrMnTi合金鋼的層深隨時間增大的速度明顯高于

10、20#鋼。可見第三組元的加入，可以影響擴(kuò)散系數(shù)的大小。5.2層深與溫度關(guān)系 （一定時間下，層深與時間關(guān)系）分析：時間一定時，層深與溫度呈指數(shù)關(guān)系。隨溫度增加，層深隨時間增加的越來越快，可見溫度升高時，很有效地增大了擴(kuò)散系數(shù)，提高了擴(kuò)散能力。但是，由相圖可知，含碳0.2%的20#鋼只能在一段溫度范圍內(nèi)進(jìn)行滲碳，所以考慮到實際時，該圖只能取一部分，而不是從0 K時開始，即層深與溫度關(guān)系公式的自變量需要限定范圍。并且，由于層深與溫度的指數(shù)關(guān)系，如果指定層深的含碳量進(jìn)行滲碳，應(yīng)謹(jǐn)慎控制溫度變化，防止溫度增加時的含碳量增加過快。6、 總結(jié)影響擴(kuò)散的因素 通過上述理論計算及仿真，我們可以粗略的得出結(jié)論：溫度和化學(xué)成分可以影響擴(kuò)散。其中溫度是影響擴(kuò)散速率的最主要因素，溫度越高，原子熱激活能量越大，越易發(fā)生遷移。 但其實影響擴(kuò)散的因素還有固溶體類型、晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、應(yīng)力作用等等。7、 問題討論從我們學(xué)過的鐵碳相圖可知，一定溫度下，碳元素在鋼中溶解度有限，并不是無限互溶的。于是外部碳勢足夠高，且高于碳在該溫度時溶解度的時候，表面并不能達(dá)到與外部等同的值。即談濃度分布公式需