单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,固体金属中的集中Diffusion in Metallic Solids,热力学,Thermodynamics,动力学,Kinetics,质量传输,Mass Transfer,Diffusion 集中,Convection 对流,固体金属中集中现象,集中的根本概念,固体金属中原子的集中：在浓度梯度化学位梯度驱动下、通过原子的热激活作用系统能量起伏、大量原子的无规章跃迁、发生的宏观物质定向传输现象,驱动力：化学位梯度浓度梯度,集中机制：原子的热激活Thermal Activation,热激活过程,Thermal Activation Process,集中激活能,温度必需足够高：能量起伏、热激活过程,时间足够长：大量原子微观上无规章跃迁、物质的定向传输,集中原子在溶质中须固溶,集中必需有驱动力浓度梯度、化学位梯度、应变能梯度、外表能梯度,固体中原子集中的条件,材料合成、加工制备、使用过程就是掌握集中的过程：,固态相变与热处理过程：完全依靠原子集中,凝固加工铸造、焊接、.),材料热加工热锻、热轧、热挤压,),材料的高温力学性能与氧化、腐蚀性能：,粉末冶金烧结：,外表化学热处理与外表渗工艺，,集中连接,.,集中对材料科学与工程的意义,低碳钢的渗碳处理,C%,金属材料渗铝、渗硅、渗铬.半导体的掺杂，.,M%,Sintering and Densification of Powders,粉末的烧结与致密化,集中连接-Diffusion Bonding,集中的宏观规律,菲克第肯定律 Ficks First Law,当浓度梯度为常数时dc/dx=const.,J=D(dc/dx),集中通量J：g/cm2.s,集中系数 D:cm2/s,D Do exp(-Q/RT),菲克其次定律 Ficks Second Law,菲克其次定律 Ficks Second Law,集中系数,D=D,o,e,-Q/kT,Ln D=ln D,o,Q/kT,集中激活能及其试验求法,D=D,o,e,-Q/RT,Ln D=ln D,o,Q/RT,Ln D,o,1/T,Ln D,斜率 k=Q/R,求出Q,几种典型集中现象,下坡集中Down-Hill Diffusion：,上坡集中 Up-Hill Diffusion:,Down-Hill Diffusion,D,A,D,B,Up-Hill Diffusion 上坡集中,过炮和固溶体的调幅分解,Kirkendall效应 Kirkendall Effect,Molybdenum Wire,Copper,Brass Cu-Zn Alloy,DZn Dcu,集中的微观机制Mechanisms of Diffusion,Vacancy Mechanism:,Diffusion of Substitutional Solute Atoms,空位机制：置换式溶质原子置换式原子的集中就是空位的反向运动,空位机制：置换式溶质原子置换式原子的集中就是空位的反向运动,间隙机制：间隙溶质原子,Interstitial Mechanism:,Diffusion of Interstitial Atoms,间隙机制：间隙溶质原子,集中激活能Q：较置换式原子小得多,位错、层错、晶界、相界、外表,面缺陷(晶界、相界、外表):溶质原子集中的快速通道,晶内、晶界及外表集中系数,晶内、晶界及外表集中系数,影响集中的因素：D=Doexp(-Q/RT),温度：D=Doexp(-Q/RT),集中元素性质：熔点、原子间结合力，同溶剂原子间的原子尺寸差、化学亲和力等,熔点越高集中激活能越大集中系数越小,原子间结合力越强集中激活能越大集中系数越小,原子尺寸差越小晶格奇变越小集中系数越小,化学亲和力越高原子间结合力越强集中激活能越大集中系数越小,影响集中的因素,溶剂金属性质：晶体构造、熔点、结合能,晶体构造致密度越高BCC与 FCC相差1500倍)原子集中激活能越高、集中系数越小,熔点越高原子间结合力越强集中激活能越大集中系数越小,与溶质原子化学亲和力越高原子间结合力越强集中激活能越大集中系数越小,同溶质原子的尺寸差越小晶格奇变越小集中系数越小,元素原子自集中激活能与元素熔点的关系,Q=k.Tm,元素原子自集中激活能与元素熔点的关系,Q=k.Tm,晶体构造的影响,影响集中的因素,晶体缺陷密度：,空位浓度:过饱和空位固溶后不能停留太长时间,位错及层错密度：是集中的快速通道,晶界晶粒尺寸:纳米材料外表纳米化渗氮,相界:,外表曲率：曲率半径越小、外表自由能越高、集中驱动力越大粉末冶金烧结、小晶粒缩小大晶粒长大,其他合金元素的影响：或增加或减小或无影响,溶质浓度：,钢中：Si、Co等非碳化物形成元素显著提高碳的活度提高碳的集中系数,钢中：Ti、Mo、Cr、V、W等强碳化物形成元素显著降低碳的活度显著降低碳的集中系数,集中在材料制备加工及使用过程中的作用及重要性,掌握集中过程即掌握材料的动力学过程，是掌握材料组织、提高材料性能与制备新材料的根底！,材料制备、加工与成形过程合金冶炼、熔炼合金化、铸造、焊接、热处理、热机械处理、锻造、轧制、超塑成形、均匀化退火或集中退火、集中连接、粉末冶金烧结、金属的塑性变形、机械合金化,外表化学热处理渗碳、渗氮、渗金属等及外表掺杂等,材料的摩擦磨损过程,材料的高温力学性能.,