4.14扩散D58S2T工艺实验

钢铁的渗碳即可作为半无限长棒处理，对于初始含 量碳为C2的工件，置于温度为T的渗碳气氛中，在 扩散过程中初始保持工件表面的碳浓度为C1,且C1> C2，则距表面x处的碳浓度即可用上述解。
3.在渗碳问题中，常规定碳浓度作为渗碳层的界限， 令此给定值为C0，距表面为x处，则：
x C C1 (C1 C 2)erf 2 Dt x0 C 0 C1 (C1 C 2)erf 2 Dt
垂直于扩散方向的单位截面面积的扩散物质的通量 J ( g cm2或原子数 cm2 s 1 ) 与浓度梯度成正比。
( g cm3或原子数 cm3 )
D — 扩散系数 cm2 s 1
反映扩散能力和决定扩散过程的 重要，“-”表示扩散方向与x方向 相反,即扩散浓度由高处向低处的 方向进行。
后退 下页
2.材料中与扩散现象相关过程 的扩散规律分析如：分析单晶 成长过程中的分凝特性及扩散 规律。 3.半导体材料锗和硅，当中渗 硅时，可提高其性能。
后退 下页
本章思考题
1.试说明钢渗碳为什么在奥氏体状 态下进行而不在铁素体状态下进行？ 2.说明晶体中的原子扩散机制？ 3.举例说明扩散规律在冶金生产过 程和热处理工艺中的应用。 4.指明Fick第二定律数学表达式的适 用条件？ 后退 下页
设有两根很长且截面均匀的合金棒，棒A1浓度C2, 棒B浓度C1（C2>C1），将两棒对焊，其焊面垂直 于x轴，然后加热进行扩散。 x>0,则C=C1 初始条件：t=0, x<0,则C=C2 x=∞, 则C=C1 边界条件：t≥0, x =-∞,则C=C2
扩散偶中非稳态扩散
后退 下页
下页
返回
由扩散 第二定律

主要考点主要考点考点1：菲克第一定律：菲克第一定律考点2：菲克第二定律：菲克第二定律考点3：影响扩散速率的因素：影响扩散速率的因素考点4：扩散机制：扩散机制考点5：上坡扩散：上坡扩散考点6：反应扩散：反应扩散考点7：柯肯达尔效应：柯肯达尔效应考点8：综合：综合考点1：菲克第一定律例1（名词解释）：稳态扩散。

：稳态扩散。

例2：写出菲克第一定律的数学表达式，并注明表达式中各参量的含义及单位。

：写出菲克第一定律的数学表达式，并注明表达式中各参量的含义及单位。

例3：扩散第一定律的应用条件是什么？对于浓度梯度随时间变化的情况，能否应用用扩散第一定律？律？答：扩散第一定律应用条件为稳态扩散，即质量浓度不随时间而变化。

非稳态扩散情况下通常也可应用扩散第一定律，但必须进行修正使之大致符合直线的情况下才可使用。

应用扩散第一定律，但必须进行修正使之大致符合直线的情况下才可使用。

考点2：菲克第二定律例1：考虑扩散系数为常量的半无限的一维扩散，保持扩散源的浓度为2C 不变；保持扩散介质中扩散物质的初始浓度为1C ，且均匀分布。

这时扩散介质中扩散物质的浓度随扩散时间和扩散距离的变化可用下式来表示（化可用下式来表示（）。

A ．()2,1exp 22C x C x t Dt éùæö=-êúç÷èøëûB ．()112,()1exp 2xC x t C C C Dt éùæö=+--êúç÷èøëû C ．()1212,1exp 222C C C C x C x t Dt éù--æö=+-êúç÷èøëû 例2：已知碳在γ-Fe 中的扩散常数502.010D -=´ 2m /s ，扩散激活能314010J/mol Q =´，要想得到与在927℃时渗碳10h 的相同厚度，则在870℃渗碳需要多长时间？（忽略不同温度下碳在γ-Fe 中溶解度的不同）度的不同）例3：生产中，在930℃对20号钢零件进行气体渗碳，渗碳碳势为1.2%，零件的技术要求是渗碳层含碳量不低于0.6%。

• 令某种复合缺陷的浓度为cf，则： • cf=n/N=exp(ΔGf/2kT) • =exp(ΔSf/2k)exp(-ΔHf/2kT) • 如果扩散以空位机制进行，则本征扩散系数可表 示为： • D=fα2νzexp[(ΔSf+2ΔSm)/2k]· • exp[(ΔHf+2ΔHm)/2kT]/6 • =D0exp[(ΔHf+2ΔHm)/2kT]
• 空位扩散 • 设空位浓度为cν，由统计热力学知： • cν=exp(-ΔGf/kT)=exp(ΔHf/kT)exp(ΔSf/k) • 式中ΔGf为空位形成自由能；ΔSf为空位形 成熵；ΔHf为空位形成焓。 D=fα2νzexp[(ΔSf+ΔSm)/k]exp[(ΔHf+ • ΔHm)/kT]=D0exp[(ΔHf+ΔHm)/kT]
• 非晶态固体中的扩散 • 非晶态固体的扩散能力与原子排列紧密 程度相关。通常非晶态固体中的原子排 列没有晶态的致密，跃迁频率相对较高， 因此迁移率更大，扩散激活能较低，扩 散系数较高。
• 在聚合物中，小分子，原子或离子可在 大分子链的间隙中扩散。与晶态聚合物 相比，玻璃态聚合物中更容易发生扩散。 某些聚合物还具有选择性扩散特性。被 用于各种膜分离技术，如稀有元素富集 和海水淡化。
（3）扩散激活能（总结） 间隙扩散扩散激活能与扩散系数的关系 D=D0exp(-Q/RT) D0：扩散常数。 空位扩散激活能与扩散系数的关系 D=D0exp(-△E/kT) △E=△Ef(空位形成功)+△Em（空位迁 移激活能）。
3 扩散的驱动力与上坡扩散 （1）扩散的驱动力 对于多元体系，设n为组元i的原子数， 则在等温等压条件下，组元i原子的自由能可 用化学位表示：
• 即：δ/2Dt=const, 或： • δ=αDt 这里是与cs和c*有关的常数。 • 渗碳层深度与Dt成正比是制定渗碳工艺 的理论依据。

用的重要性。对于质量较差的混凝土，在90d的测试时间内，通过毛细管吸附与通过扩散作用进入混凝土内部的氯离子相对含 量，会大于混凝土结构的整个服役期间进入混凝土内部的氯离子相对含量。对于质量较高的混凝土，由于在90d的试验时间内 没有足够的氯离子渗入混凝土内部，因而不能很好地描述出氯离子的分布情况。这就需要延长试验时间来评价高质量混凝土的 抗氯离子渗透性。
量的混凝土，至少需暴露35d，对高质量的混凝土，可能需要暴露90d甚至更长的时间。
2.3 氯盐溶液塘泡法(AASHTO T259)[3] AASHTO T259试验方法(通常指氯盐溶液塘泡法)是美国联邦公路管理局的标准，它是一个测量氯离子渗入混凝土的长期试
验方法。该方法要求有3块厚度至少为75mm、表面积为300mm：的混凝土试块。这些试块先在潮湿的环境下养护14d，然后在 相对湿度为50％的干燥室中养护28d。试块的所有侧面需要密封，而把顶面和底面作为暴露表面。经过前面的处理之后，试块 的顶面塘泡于3％的氯化钠溶液中，底面暴露于相对湿度为50％的干燥的环境中。塘泡90d之后，测量试件中厚度为0.5英寸(约 12.8mm)的薄片内的氯离子浓度，典型的方法是取2个或3个试样测量其累积氯离子浓度。
点。表1中总结了测量氯离子在硬化水泥净浆、砂浆和混凝土中迁移的试验方法。本文即对这些测试方法进行综评。
表1 测量氯离子在硬化水泥净浆、砂浆和混凝土中迁移的试验方法
试验方法和原理
试验厚度
测量指标
试验时间 评价方法 精确度 参考文献
扩散槽
2～5mm
扩散的氯离子
数月
扩散系数
精确
扩散法
表 至少为最大集 扩散氯离子的
这种试验结果不能说明什么问题，一方面是由于复杂的试验条件；另一方面是由于粗糙的评价方法。该试验方法只要求测