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1、会计学1材料的凝固气相沉积扩散材料的凝固气相沉积扩散(kusn)与固态相与固态相变变第一页，共74页。本章主要本章主要本章主要本章主要(zh(zh yo)yo)内容内容内容内容 n n扩散扩散扩散扩散(kusn)(kusn)(kusn)(kusn)第一、第二定律及其应用第一、第二定律及其应用第一、第二定律及其应用第一、第二定律及其应用n n扩散扩散扩散扩散(kusn)(kusn)(kusn)(kusn)机制机制机制机制n n固态相变过程固态相变过程固态相变过程固态相变过程n n扩散扩散扩散扩散(kusn)(kusn)(kusn)(kusn)型及无扩散型及无扩散型及无扩散型及无扩散(kusn)(
2、kusn)(kusn)(kusn)型相变型相变型相变型相变 晶核的形成晶体的生长第1页/共73页第二页，共74页。水加入(jir)染料部分(b fen)混合完全(wnqun)均匀化时间由于粒子的热运动而自发地产生的物质迁移现象。扩散扩散是固体中原子传输的唯一方式。第2页/共73页第三页，共74页。齿轮(chln)表面硬化第3页/共73页第四页，共74页。在稳态扩散中，材料内部各点处的浓度不随时间变化。在非稳态扩散中，材料内部各点处的浓度随时间而变化。第一节 扩散(kusn)定律及其应用非稳态扩散稳态扩散扩散第4页/共73页第五页，共74页。扩散(kusn)第一定律(Ficks First La
3、w)内容：单位时间内通过垂直于扩散方向(fngxing)单位面积的物质的流量（扩散通量J）与该处的浓度梯度成正比。适用(shyng)于：稳态扩散第5页/共73页第六页，共74页。意义：在稳态扩散时，只要材料内部存在浓度梯度，就会有扩散现象，而且(r qi)扩散通量的大小与浓度梯度成正比，方向与浓度梯度方向相反，即由溶质浓度高的方向流向浓度低的方向，故前加负号。第6页/共73页第七页，共74页。扩散(kusn)第一定律的微观解释以间隙原子在简单立方(lfng)晶体中的运动为例。n1n2,从跳到的净流量 CB（1）-CB（2）=-dCB/dx 第7页/共73页第八页，共74页。原子原子原子原子(y
4、unz(yunz)运动的宏观位移运动的宏观位移运动的宏观位移运动的宏观位移扩散距离和扩散系数与时间的乘积(chngj)有平方根的关系。跳跃平均距离为 第8页/共73页第九页，共74页。扩散(kusn)第二定律(Ficks Second Law)适用(shyng)于：非稳态扩散第9页/共73页第十页，共74页。浓度随时间的变化与浓度分布曲线(qxin)在该点的二阶导数成正比。第10页/共73页第十一页，共74页。扩散扩散扩散扩散(kusn)(kusn)第二定律应用第二定律应用第二定律应用第二定律应用 钢的渗碳(shn tn)钢棒在富含一定浓度的CH4气氛(qfn)中进行渗碳处理。(零件被看作是无
5、限长的棒，并假定碳在奥氏体中的扩散系数为一常数)初始条件 t=0，C=C0，C0为钢的原始含碳量。边界条件 t0，第11页/共73页第十二页，共74页。误差(wch)函数特征：1）图形(txng)对称，erf(-Z)=-erfZ；2）erf(0)=0，erf(0.5)=0.5；3）erf()=1，erf(-)=-1第12页/共73页第十三页，共74页。第13页/共73页第十四页，共74页。有一有一有一有一20202020钢齿轮气体渗碳，渗碳温度是钢齿轮气体渗碳，渗碳温度是钢齿轮气体渗碳，渗碳温度是钢齿轮气体渗碳，渗碳温度是927927927927，炉内渗碳气氛控制使，炉内渗碳气氛控制使，炉内渗
6、碳气氛控制使，炉内渗碳气氛控制使所需的时间所需的时间所需的时间所需的时间(shjin)(shjin)(shjin)(shjin)（假定碳在（假定碳在（假定碳在（假定碳在927927927927时的扩散系数时的扩散系数时的扩散系数时的扩散系数D=1.2810-11m2s-1D=1.2810-11m2s-1D=1.2810-11m2s-1D=1.2810-11m2s-1）。）。）。）。例 题 1第14页/共73页第十五页，共74页。将纯铁放于渗碳炉内渗碳，假定渗碳温度为920，渗碳介质(jizh)碳浓度Cs1.2，D1.5xl0-11m2s，t10 h。(1)求表层碳浓度分布；(2)如规定渗层深度
7、为表面至0.3C处的深度，求渗层深度。例 题 2第15页/共73页第十六页，共74页。半导体硅片的掺杂(chn z)第16页/共73页第十七页，共74页。x 利用一薄膜从气流中分离氢气。在稳定状态时，薄膜一侧的氢浓度为0.025mol/m3,另一侧的氢浓度为0.0025mol/m3，并且薄膜的厚度为100m。假设氢通过(tnggu)薄膜的扩散通量为2.2510-6mol/（m2s），求氢的扩散系数。H2c1c2D=10-8m2/s练习题：第17页/共73页第十八页，共74页。第二节第二节第二节第二节 扩散扩散扩散扩散(kusn)(kusn)(kusn)(kusn)机制机制机制机制n n间隙扩散
8、间隙扩散间隙扩散间隙扩散n n空位空位空位空位(kn wi)(kn wi)(kn wi)(kn wi)扩散扩散扩散扩散 第18页/共73页第十九页，共74页。在间隙固溶体中溶质原子的扩散是从一个间隙位置(wi zhi)跳到近邻的另一间隙位置(wi zhi)，发生间隙扩散。间隙(jin x)机制 间隙扩散第19页/共73页第二十页，共74页。扩散系数扩散系数v：原子自身振动的频率；Z：间隙(jin x)原子紧邻的位置数；P：间隙(jin x)原子能够跃迁到新位置的几率。为每秒钟间隙(jin x)原子跃迁的次数第20页/共73页第二十一页，共74页。令扩散激活能第21页/共73页第二十二页，共74
9、页。lnDlnD01/Tk=-Q/R扩散系数与温度(wnd)的关系第22页/共73页第二十三页，共74页。空位(kn wi)扩散通过(tnggu)原子与空位交换位置即实现原子的迁移，称为空位机制。自扩散自扩散激活能（空位(kn wi)形成能和空位(kn wi)迁移能）第23页/共73页第二十四页，共74页。第24页/共73页第二十五页，共74页。互扩散互扩散互扩散互扩散(kusn)(kusn)与柯肯达尔效应与柯肯达尔效应与柯肯达尔效应与柯肯达尔效应柯肯达尔效应：对于纯金属和置换式固溶体，当两者发生互扩散时，由于两种原子的扩散速率不同使界面(jimin)产生移动，通常移向原子扩散速率较大的一方的
10、现象。第25页/共73页第二十六页，共74页。扩散系数的计算扩散系数的计算扩散系数的计算扩散系数的计算(j sun)(j sun)n n间隙原子在任何间隙原子在任何间隙原子在任何间隙原子在任何(rnh)(rnh)(rnh)(rnh)立方晶系中的扩散立方晶系中的扩散立方晶系中的扩散立方晶系中的扩散n n简单立方简单立方简单立方简单立方 ，n n面心立方面心立方面心立方面心立方 ，n n体心立方体心立方体心立方体心立方 ，第26页/共73页第二十七页，共74页。u 空位(kn wi)扩散对于(duy)bcc晶体，f=0.72；对于(duy)fcc晶体，f=0.78。第27页/共73页第二十八页，共
11、74页。设A、B两组元构成的晶体对焊在一起构成一对扩散偶，高温长时间加热后A、B组元扩散速率(sl)不同而产生柯肯达尔效应，界面移动，在此前提下推导出运用(ynyng)扩散第二定律有：u 互扩散系数第28页/共73页第二十九页，共74页。第三节第三节 影响影响(yngxing)(yngxing)扩散的因素及扩扩散的因素及扩散驱动力散驱动力 影响(yngxing)扩散的因素 由扩散第一(dy)定律可得，影响扩散的因素主要有D0、Q和T。第29页/共73页第三十页，共74页。频率(pnl)因子（D0）间隙扩散中 通常其值为510-6510-4m2s-1，故对扩散过程(guchng)影响较小。空位扩
12、散中第30页/共73页第三十一页，共74页。扩散(kusn)激活能Q 扩散机制：间隙扩散 ；空位扩散 。晶体结构：结构不太紧密的晶体中，原子扩散(kusn)容易。原子(yunz)结合力：结合键强，熔点高，激活能大，扩散不易。合金成分：间隙固溶体：溶质浓度高，扩散容易；置换固溶体：使熔点降低的元素，合金D升高，反之亦然。第31页/共73页第三十二页，共74页。温 度温度越高，扩散系数越大，扩散速率越快。T与D成指数关系，对扩散影响(yngxing)较大。例：碳在-Fe中扩散(kusn)时，D0=210-5m2/s，Q=140103J/mol。D1200=1.6110-11m2/s；D1300=4
13、.7410-11m2/s。第32页/共73页第三十三页，共74页。晶体缺陷晶界和表面处原子排列不紧密(jnm)，不规则，能量较高，扩散激活能低，即QLQgbQs，故扩散系数关系为DsDgbDl。晶界扩散与体扩散的相对贡献以 衡量。第33页/共73页第三十四页，共74页。下坡扩散：原子由浓度高处流向浓度低处；上坡扩散：原子由浓度低处流向浓度高处。驱动力：化学位梯度的存在。化学力 ，流量 由热力学可知 扩散(kusn)驱动力第34页/共73页第三十五页，共74页。第35页/共73页第三十六页，共74页。例题：综合分析例题：综合分析例题：综合分析例题：综合分析(fnx)(fnx)扩散的驱动力及上坡扩
14、散。扩散的驱动力及上坡扩散。扩散的驱动力及上坡扩散。扩散的驱动力及上坡扩散。（1 1 1 1）菲克第一定律指出扩散由高浓度向低浓度方向进行，但很多情况下）菲克第一定律指出扩散由高浓度向低浓度方向进行，但很多情况下）菲克第一定律指出扩散由高浓度向低浓度方向进行，但很多情况下）菲克第一定律指出扩散由高浓度向低浓度方向进行，但很多情况下扩散却由低浓度向高浓度方向进行，说明浓度梯度并非扩散的驱动力。扩散却由低浓度向高浓度方向进行，说明浓度梯度并非扩散的驱动力。扩散却由低浓度向高浓度方向进行，说明浓度梯度并非扩散的驱动力。扩散却由低浓度向高浓度方向进行，说明浓度梯度并非扩散的驱动力。热力学研究表明，扩散
15、的驱动力是化学位梯度，既扩散总是向化学位热力学研究表明，扩散的驱动力是化学位梯度，既扩散总是向化学位热力学研究表明，扩散的驱动力是化学位梯度，既扩散总是向化学位热力学研究表明，扩散的驱动力是化学位梯度，既扩散总是向化学位减少减少减少减少(jinsho)(jinsho)(jinsho)(jinsho)的方向进行。的方向进行。的方向进行。的方向进行。（2 2 2 2）在化学位驱动下由低浓度向高浓度方向进行的扩散，称为上坡扩散。）在化学位驱动下由低浓度向高浓度方向进行的扩散，称为上坡扩散。）在化学位驱动下由低浓度向高浓度方向进行的扩散，称为上坡扩散。）在化学位驱动下由低浓度向高浓度方向进行的扩散，称
16、为上坡扩散。第36页/共73页第三十七页，共74页。第五节第五节第五节第五节 固态固态固态固态(gti)(gti)(gti)(gti)相变中的形核相变中的形核相变中的形核相变中的形核固态相变：当温度（或压力）改变时，材料由一种固相转变为另一种固相的过程。第37页/共73页第三十八页，共74页。一、固相的相界面(jimin)(a)共格界面 (b)半共格界面 (c)非共格界面弹性应变(yngbin)能：大 中 小 界面能：小 中 大第38页/共73页第三十九页，共74页。共格界面(jimin)错配度：弹性应变能：第39页/共73页第四十页，共74页。纯铁中的共格界面(jimin)第40页/共73页
17、第四十一页，共74页。半共格界面(jimin)界面能：第41页/共73页第四十二页，共74页。非共格界面(jimin)弹性应变能：第42页/共73页第四十三页，共74页。新相的形状(xngzhun)半共格界面：界面能起主要作用，新相为球状；应变能起主要作用，新相为碟状或片状。非共格界面：共格应变(yngbin)能消失，体积应变(yngbin)能起作用，新相形状如图。第43页/共73页第四十四页，共74页。1.均匀(jnyn)形核 系统自由(zyu)能变化体积体积(tj)(tj)自由能自由能界面能界面能弹性应变能弹性应变能二、均匀形核与非均匀形核第44页/共73页第四十五页，共74页。令 dG/
18、dr=0临界(ln ji)晶核半径为临界(ln ji)晶核形成功第45页/共73页第四十六页，共74页。2.非均匀(jnyn)形核 体系自由(zyu)能变化为：第46页/共73页第四十七页，共74页。临界(ln ji)晶核半径为而第47页/共73页第四十八页，共74页。第六节第六节第六节第六节 固态固态固态固态(gti)(gti)(gti)(gti)相变的晶体生长相变的晶体生长相变的晶体生长相变的晶体生长扩散(kusn)控制长大：界面移动速度快，母相中溶质扩散(kusn)速度慢；晶界控制长大：界面移动速度慢，母相中溶质扩散(kusn)速度快。长大(chn d)方式：第48页/共73页第四十九页
19、，共74页。扩散控制长大(chn d)扩散控制长大(chn d)：通过长程扩散使新相得以长大(chn d)的方式。第49页/共73页第五十页，共74页。结论：1），新相长大，服从抛物线生长规律(gul)；2），在t一定时，V正比于过饱和度；3），即长大V与D/t成指数关系。第50页/共73页第五十一页，共74页。界面(jimin)控制长大 两种长大(chn d)方式的区别：1）界面处母相的浓度(nngd)不同；2）母相中的浓度(nngd)梯度不同；3）界面反应速度不同。第51页/共73页第五十二页，共74页。界面控制长大原因(yunyn)：界面结构非共格界面：界面粗糙，原子跃过界面即被吸收(x
20、shu)，反应速度快；半共格、共格界面：原子跃过界面可能不被吸收(xshu)，反应速度慢。新相顺利生长的界面为台阶结构，生长沿台阶侧向，初期y远小于1，生长(shngzhng)速度几乎是常数，之后逐渐减慢。第52页/共73页第五十三页，共74页。第七节第七节第七节第七节 扩散扩散扩散扩散(kusn)(kusn)(kusn)(kusn)型相变型相变型相变型相变扩散型相变：形核与长大的各阶段都需要原子扩散完成(wn chng)，要克服能垒；非扩散型相变：相变时原子(yunz)不发生扩散，仅借切变重排形成亚稳态新相。扩散型相变以饱和固溶体的脱溶沉淀或分解为例。过饱和固溶体的分解有两种机制：一种是经典
21、的形核与长大，中间过程形成过渡相；另一种则是调幅分解。第53页/共73页第五十四页，共74页。时 效人工时效（130-150）自然时效（室温）固溶处理 Al-Cu合金(hjn)的淬火时效 选用Al-WCu4%合金(hjn)，加热至550，Cu原子全部溶入固溶体中，冷却进行时效处理。第54页/共73页第五十五页，共74页。Al-Cu合金(hjn)的淬火时效人工时效顺序：相 GP区 相 相 相。第55页/共73页第五十六页，共74页。GP区：与相共格，无界面能，具有应变能，总自由能稍低于相。依附 于相冷却(lngqu)留下的大量空位非均匀形核，形核率大；相：在GP区原位形成，GP区分解，一部分直接
22、转变成相，另一部 分溶解，并为相生长提供铜原子。相与母相完全共格，从而界面能较低，但应变能较大，故保持应变能较小的薄片状。第56页/共73页第五十七页，共74页。相：相溶解，在位错上形核生成相，相在（001）面上与母相保持共格关系或半共格关系，而侧面（100）、（010）已是非共格，当共格应变能升高时，呈现完全非共格。相：相溶解，在晶界或相基体界面上形核生成相，与基体 完全非共格，界面能稍大，无应变能。第57页/共73页第五十八页，共74页。共格产物转变(zhunbin)为非共格产物的原因 共格界面(jimin)，应变能 非共格界面(jimin)，界面(jimin)能当ttCR时，共格形成能低
23、，为共格态；当ttCR时，非共格形成能低，为非共格态。（t片的厚度；tCR片的临界厚度）第58页/共73页第五十九页，共74页。合金中的调幅(dio f)分解 特点(tdin)：1）形核无能垒；2）分解速度快；3）新相连续形成，与旧相完全共格。定义：具有特殊相图的合金由于成分涨落而形成的结构相同而 成分不同的溶质原子富集区及贫乏区。第59页/共73页第六十页，共74页。以Al-Zn合金为例说明(shumng)调幅分解反应 产生热力学条件：合金的成分点必须位于自由能-成分曲线的两个(lin)拐点之间。第60页/共73页第六十一页，共74页。体系(tx)自由能：处理后得：拐点以外，自由能升高；拐点
24、以内，自由能降低。第61页/共73页第六十二页，共74页。调幅(dio f)分解的晶体生长第62页/共73页第六十三页，共74页。形成(xngchng)条件：1）成分位于(wiy)两拐点之间；2）驱动力大于梯度能与应变能。第63页/共73页第六十四页，共74页。第八节第八节第八节第八节 无扩散无扩散无扩散无扩散(kusn)(kusn)(kusn)(kusn)相变相变相变相变l马氏体相变的基本特征1）无扩散性；2）点阵(din zhn)均匀变形；3）存在无畸变面；4）马氏体内有滑移或孪晶变形。第64页/共73页第六十五页，共74页。无扩散性马氏体转变前后(qinhu)新相和母相的成分相同，具有很
25、高的过饱和度。长大方式为切变，既马氏体长大靠母相中原子整体地作有规则的迁移，使界面推移而不改变共格关系。军队式转变第65页/共73页第六十六页，共74页。点阵均匀(jnyn)变形表面产生表面浮突现象，与之接触(jich)的母相也会随之而发生倾动。第66页/共73页第六十七页，共74页。存在(cnzi)无畸变面转变过程中马氏体与奥氏体的界面称为马氏体的惯习面，惯习面上的原子在相变前后无畸变(jbin)，也无转动，原子间距不变，即为无畸变(jbin)面。第67页/共73页第六十八页，共74页。马氏体内有滑移(hu y)或孪晶变形 均匀点阵畸变(jbin)产生切变分量大，从而形成高的应变能，为降低此
26、能量可以发生滑移和孪晶变形，它不改变结构和体积，只降低应变能。第68页/共73页第六十九页，共74页。l 马氏体转变(zhunbin)的晶体学第69页/共73页第七十页，共74页。l 马氏体的形态(xngti)与性能1.板条马氏体（低碳马氏体、位错马氏体、高温(gown)马氏体）基本单元：马氏体板条；板条束（群）：相互(xingh)平行的板条组成；亚结构：高密度位错；惯习面：（111）；晶体结构：体心正方。第70页/共73页第七十一页，共74页。2.片状马氏体（高碳马氏体、透镜(tujng)马氏体、孪晶马氏体）基本单元：竹叶状马氏体，有中脊线；亚结构(jigu)：孪晶；惯习面：（225）或（259）；晶体结构(jigu)：体心正方。片片之间成一定(ydng)角度（60度或120度）第71页/共73页第七十二页，共74页。含碳量的影响(yngxing)碳含量小于0.3%时，基本上为板条状马氏体；大于1.0%时，完全为片状马氏体；在0.31.0%之间时为两者的混合(hnh)组织。板条状马氏体是在Ms以下(yxi)较高温度区形成；片状马氏体是在较低温度区形成。第72页/共73页第七十三页，共74页。感谢您的观看(gunkn)。第73页/共73页第七十四页，共74页。