金属学与热处理第八章_扩散课件.ppt

(7) πx λ C x = C p + A0 sin Cmax：溶质原子浓度最高值，CP： 溶质浓度平均值 Cmin ：溶质原子浓度最低值 A0 :铸态合金中成分偏析的振幅.A0= Cmax - CP = CP - Cmin. λ：溶质原子浓度最高点与最低点之距离，即 枝晶间距（偏析波波长）的一半。 r 合金长时间保温扩散退火时,枝晶偏析的溶质原子从高 浓度区向低浓度区扩散,随退火时间增加, 成分均匀化. r 初始条件:t =0时，x=1/2 λ , 3/2 λ ；则C= Cmax , C= Cmin r 边界条件:t 0时,x=0，λ , 2 λ ,C= Cp r 求得正弦解： r当x=1/2 λ , sin(πx/ λ)=1时, C(1/2 λ ,t)= Cp+ r因为A0= Cmax- Cp，所以有 ：为偏析峰值衰减程度 r实际上，想达到完全均匀化（ C=Cp）和偏析峰 值衰减程度→0，是不可能的。 设铸锭经均匀化退火后，成分偏析的振幅要求降到 原来的1%，此时 即 算得，要使偏析峰值衰减程度达到偏析峰值的1%， 所需退火时间为： 计算得使偏析衰减程度达到偏析峰值的1% r看出： u铸锭均匀化退火所需时间t与枝晶间距λ的平方成 正比，减小原始组织中晶粒尺寸或枝晶间距离， 可缩短均匀化扩散时间。 u铸锭均匀化退火所需时间t与扩散系数D成反比 r应用: u用快速凝固或锻打的方法以使枝晶破碎，均可使 枝晶间距减小。 u提高均匀化退火温度，温度越高，则扩散系数D越 大，均匀化退火所需时间越短。 ? 2、金属的粘接 ? 工业粘接金属的方法如焊接、电镀、包金属、浸镀 等，都是应用扩散的例子。要使金属粘接，必须发 生扩散，否则就不能粘接牢固。 ? 1）钎焊：连接金属的一种方法。 r钎焊方法： 搭接→ 放钎料→ 加热到稍高于钎料熔点的温度 →钎料熔化并填满母材间隙→钎料冷却,将零件 牢固地连接起来。 r钎焊特点： u钎焊时只是钎料熔化，而母材为固态。因此， 要求钎料的熔点要低于母材的熔点。 u要求钎料和母材不但液态时能互溶，固态时也 必须互溶，依靠它们的相互扩散形成牢固的金 属结合。 * * 第八章 材料中的扩散 r扩散:物质中原子（或分子）的迁移现象，它是物 质传输的一种方式. ? 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. ? 固态金属中同样存在扩散现象,且扩散是固体中物 质传递的唯一方式. ? 扩散是金属中的一个重要现象，是金属学的一个 重要领域，它与金属的加工、使用性能间存在密 切关系. 材料中的扩散 r 应用举例 u 铸造合金消除枝晶偏析的均匀化退火 u 钢在加热和冷却时的一些相变 u 变形金属的回复与再结晶 u 钢的化学热处理 第一节 概述 一、扩散现象 ? 气体和液体中的扩散现象 ? 例如：鲜花的芬芳，糖水的甜味 ? 由物质的原子或分子迁移造成,是物质传输的结果。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. ? 固态物质中的扩散现象 ? 金属结晶时,液态金属原子向固态晶核的迁移,再结晶 晶粒长大,钢的渗碳,金属的焊接等 ? 固体中的扩散速率十分缓慢，但确实存在。 r固态扩散的实验(柯肯达尔效应) ? 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. r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,因此它们不会合并，也很 难换位。 ? 但是，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，以进行扩散迁移。 ? 温度越高，原子迁移的几率越大。 r固态扩散是大量原子无序跃迁的统计结果 ? 晶体的周期势场中,原子向各个方向跃迁几率相等,这 样,不会产生物质传输的宏观扩散效果. ? 若晶体周期场的势能曲线倾斜(图),则原子自左向右跃 迁的激活能为Q,自右向左的激活能为 Q＋ΔC.那么,原 子向右跳动的几率将大于向左跳动的几率.大量原子的 无序跃迁造成物质的定向迁移，即发生扩散. ? 扩散不是原子的定向跃迁,而是原子的随机无序跃迁 二 、扩散机理 ? 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