六-金属及合金的扩散.ppt
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1、 第六章 金属及合金 的扩散1.r扩散:物质中原子(或分子)的迁移现象,是在右浓度梯度、化学位梯度、应力梯度或其他梯度存在的条件下,借助热运动引起物质的宏观定向输送过程。r原子的微观运动会引起物质的宏观流动,气体和液体的扩散易察觉.时间水高碳含量区域低碳含量区域碳的扩散方向Fe-C合金扩散现象扩散方向是自浓度高的方向向浓度低的方向进行,直至各处浓度均匀为止.2.扩散定律菲克第一定律将溶质浓度不均匀的固溶体合金棒加热到高温,则溶质原子将从浓度较高一端向浓度较低一端扩散,并沿长度方向形成浓度梯度.如在扩散过程中各处浓度C只随距离X变化,不随时间t变化,则单位时间通过单位垂直截面的扩散流量J对于各处
2、都相等。即:每一时刻从左边扩散来多少原子,就向右边扩散走多少原子,没有盈亏,浓度不随时间变化,这种扩散称稳定态扩散。c1c2dxJ(c1c2)3.菲克第一定律J-扩散流量,表示扩散物质流过单位截面速度;D-扩散系数,反映扩散速度的物理量,是单位浓度梯度时的扩散流量,D值越大,扩散越快;:组元沿着扩散方向的体积浓度梯度;负号:表示扩散流方向与浓度梯度方向相反;4.菲克第二定律非稳定态扩散:在扩散过程中,各处的浓度梯度不仅随距离x变化,而且随时间t变化。5.把Cu、Ni棒对焊,在焊接面上镶嵌上钨丝作为界面标志。加热到高温并保温,界面标志钨丝向纯Ni一侧移动了一段距离.柯肯达尔效应:置换互溶组元所构
3、成的扩散偶中,由于两种原子以不同速度相对扩散,扩散通量不相等造成标记面漂移的现象.固态扩散的实验(柯肯达尔效应)6.固态金属中原子的跃迁金属晶体中的原子按一定规律呈周期性重复排列,每个原子都处于周期性规律变化的结合能曲线的势能谷中,相邻原子间都隔着一个势垒Q。原子时刻进行着热振动,振动能量与温度有关。当温度不变时,存在着能量起伏。能量起伏的存在使部分原子具有足够高的能量,跨越势垒,由原来平衡位置跃迁到相邻平衡位置。只要热力学温度不是零度,原子就有热振动,依靠能量起伏被热激活,以进行迁移。7.固态扩散是大量原子无序跃迁的统计结果原子向各个方向跃迁几率相等,则可得原子无规则运动的位移:平均位移;n
4、:原子跳动次数;r:每次跳动的位移;8.对于不同晶体结构的金属材料,原子的跳动方式不同,故扩散机理随晶体结构的不同而变化。原因:扩散不仅由原子的热运动所控制,还受具体的晶体结构制约。扩散需具备的条件:能量条件与结构条件扩散模型(按照原子的跳动方式分)间隙扩散机理交换和轮换扩散机理空位扩散机理扩散机理9.定义:原子在点阵间隙位置间跃迁导致的扩散。间隙固溶体中,溶质原子从其所占间隙位置跳到邻近另一个空着的间隙位置;置换固溶体中,溶质或溶剂原子从原来所占据的平衡位置跳到间隙位置,再跳到邻近其他间隙位置;间隙扩散机理10.实现间隙扩散的条件:结构条件:扩散原子周围具备几何间隙位置;能量条件:克服跳动时
5、周围阵点原子的阻力;间隙固溶体中,溶质原子占据的间隙位置很少,大部分是空的,可供间隙原子跳动,间隙扩散可能性大.置换固溶体中,原子尺寸大,间隙很小,处于平衡位置的原子要跳入很小的间隙位置,且还要通过两个原子之间更小的间隙跳到另一个间隙位置.11.置换原子的两种间隙扩散模型顶替式:原子跳入间隙后,再进行跳动时,不是跳入另外的间隙中,而是将临近的处于正常位置的原子推到间隙中,它自己则重新占据这个空下的正常位置,如此反复进行,就会不断地发生扩散.因此,间隙机理所需能量更低.挤列式:由一系列原子占据的线段内多挤入了一个原子而组成一系列挤压的原子,几列在晶体点阵中运动引起扩散.12.在纯金属或置换固溶体
6、中,原子可以通过换位进行扩散.直接换位扩散机制:两原子交换位置时须同时起跳,点阵畸变很大,需要克服很高的能垒,很难.环形换位模型:显然环形旋转换位方式引起的晶格畸变要小得多,故这种扩散机理是可能的.换位扩散机理13.定义:通过扩散原子与空位交换位置来实现物质的宏观迁移。空位的存在,使周围邻近原子偏离平衡位置,势能升高,从而使原子跳入空位所需跨越的势垒高度降低,相邻原子就易于向空位跳动。温度越高,空位越多,金属中原子的扩散越易。空位扩散机理空位扩散是固态金属最可能采取的扩散机制14.扩散激活能空位激活能空位扩散激活熵原子跳动频率激活能增大,原子跳动频率减小扩散速度随之减小;反之,扩散加快。15.
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