反应扩散在线视频

同学们

这节课我们开始学习反应扩散

反应扩散又叫做多相扩散

我们先看一下它的扩散的现象和基本的特征

对于我们前面学习的单相扩散而言

得到的浓度分布曲线

在界面处成分它是连续变化的

那么对于多相扩散而言

我们先看一下多项扩散的现象

对于这样一个二元体系

在温度T1的时候发生扩散

通过扩散以后的浓度分布曲线

我们可以发现在α相区和γ相区

那这样两个单相区

它的浓度分布曲线

都和我们前面学习的扩散是一样的

但是在α加β这样一个双相区

它的浓度分布曲线是一条直线

同样的对于这样一个相图而言

我们在T1温度进行扩散的时候

它会穿过三个单相区和两个双相区

分别是α β γ三个单相区

和α加γ β加γ两个双相区

那么在单相区它的扩散的浓度分布曲线

也是和我们前面学习的规律是一样的

但是在两个双相区

它的扩散的浓度分布曲线是一条直线

所以通过扩散

使固溶体内的溶质组元超过固溶极限

而不断形成新相的扩散的过程

我们叫做反应扩散或者是相变扩散

在我们材料里面

许多的扩散相变过程都和反应扩散相关

反应扩散吸收的新相和原来的基体相之间

存在着明显的宏观界面

比如说我们的氧化 渗碳 渗氮等等

这样一些过程都会涉及到反应扩散

在二元合金的扩散过程中

它没有混合相区

扩散是由一个单相区接着另外一个单相区

一系列的单相区一个接一个组成

它的浓度分布曲线在像的界面处是不连续的

它有一个突变

这个突变在哪儿呢

它的位置由相图来决定

那么这样一个扩散过程可以分为两步

一步是在单相区的扩散

另一步是在界面处的相变

每一个相的边界线

随着时间的延长而推移

其移动的距离和时间

会呈抛物线的关系

这个我们后面会推导

那么我们问大家

为什么在二元向图的扩散中

没有双相区 只有单相区

我们得到的浓度分布曲线

在双相区它是一条直线

我们有两种方法可以判断

第一

根据我们前面学的吉布斯相律

F等于C减P加2

我们不考虑压强和温度

F就等于C减P

对于2元相图C等于2

如果它存在双相区

P=2 自由度F就等于0

意味着每一个项中

任何一个组员的浓度都不能改变

但是呢扩散一定要有浓度差

否则不能扩散

所以这样一个假设不成立

P不等于2

所以我们说在二元相图的扩散中没有双相区

同时我们还可以通过相图来看

对于这样一个相图而言

在双相区内它的浓度是没有浓度梯度的

所以它是不可能发生扩散的

反应扩散的结果就是单相区

一个单相区接着另外一个单相区的扩散

那么在双相区内它的浓度分布是一条直线

第二方面我们看一下反应扩散的动力学

在这里面我们考虑三个问题

第一 相界面的移动速度

第二 相宽度的变化规律

第三新相的出现的顺序

对于反应扩散而言

我们说了它有扩散和相变两个过程

所以反应扩散的两个过程的特点

就是扩散控制速度加上瞬时的反应

对于反应扩散速度

受原子扩散过程所控制的反应扩散而言

如果反映瞬时完成

在相界面上始终保持准平衡

那么反应扩散速率受原子扩散过程控制

我们可以通过这样一个图

可以假设在时间dt内

相界面I向 x方向移动的距离为dL

我们可以得到这样一个dL的表达式

这样一个DL

我们又可以把这样一个扩散的物质的量

用菲克第一定律给它表示出来

代进去以后

我们就做一系列的简化

就可以得到

t时间内γ相的增厚值和时间的关系

可见新相界面移动的距离和时间

是一个抛物线的关系

这和我们前面学习的扩散的

这样一个规律是一致的

那么在这儿我们再总结一下

就得到了相界的移动速率

相界面随时间按抛物线的规律移动

也就是说新相移动的距离和时间成抛物线的关系

前面我们说的是只有两个单相

如果反应扩散会有三个单相区的时候

中间β相区的扩散的厚度

就取决于相界面I和相界面II的相对移动

通过前面的t时间内相界面移动的距离

我们可以得到ΔL同样和时间是一个抛物线的关系

Bj我们称为反应扩散的速率常数

如果Bj大于0

那么β相就可以出现

并且按照抛物线的规律长大

如果Bj小于0

那么意味着β相层的厚度等于0或者在减小

β相就不会出现

对于反应扩散受相界面反应速度控制的

这样一种情况

我们可以有这样一个式子

来计算界面的移动速度

在实际反应扩散的过程中

开始阶段扩散层比较薄

原子扩散不是主要矛盾

扩散主要受界面的反应速度控制

随着扩散层的厚度不断增加

扩散将成为

主要控制反应扩散速度的一个因素

通过前面的分析

我们就得到了相宽度的变化规律

同样的新相的宽度和时间成抛物线的规律

反应扩散速率常数越大

相宽度变化越快

那么对于第三点

新相出现的规律

对于目前的认知而言还有一些争论

但是可以肯定的是有孕育期

对于反应扩散的应用

我们说单相扩散研究的很多

对于反应扩散或者多相扩散研究的很少

但是实际上很多的扩散过程

都和反应扩散有关系

那么我们再举一个例子

对于这样一个渗碳过程而言

一般渗碳的时候

我们又要让钢处在γ相区

也就是在大于912度的时候进行渗碳

这样一个时候

γ铁的碳的溶解度相当高

渗碳过程中的碳势一般不会超过

碳在γ铁中的溶解度

所以不会发生反应扩散

如果我们把这样一个纯铁

在低于912度的时候让它进行渗碳

由于碳在α铁中的溶解度很小

渗碳时就会出现典型的反应扩散现象

渗碳开始前

纯铁棒组织是α铁

表面的碳浓度达到了

这样一个 C1的位置的时候

表层铁碳合金的晶体结构

会由铁素体转变为奥氏体

也就是发生了反应扩散

此后表层区域便一直保持奥氏体相

端面上奥氏体的碳浓度

达到碳势所对应的浓度以后将保持不变

而在铁素体和奥氏体的界面以外

铁素体的成分始终保持C1

奥氏体的成分始终保持C2

随着生产时间的增加

碳原子不断向铁棒内部进行扩散

并且通过两个单相区的界面向铁素体相区发生迁移

反应扩散的结果

就是使得α相不断减少

β相不断增加

界面不断向右移动

直到整个奥氏体区域

完全取代这个铁素体的区域

对于这样一个渗碳过程

我们也可以通过扩散第二定律

也就是我们的误差函数解来求解

我们在求扩散第二定律在渗碳过程中的解

应该分别考虑γ和α两个相区的

边界条件和初始条件

分别求解

我们要分清楚C2 C1 C0 Cs这样一些值

对于α相区和γ相区

它是不一样的

那么实际上碳浓度在α相区之中很低

含碳层的厚度也很薄

与γ相区中碳浓度以及相区的厚度相比

我们可以忽略

所以在这样一种情况下

渗碳层的厚度

我们仅仅考虑γ相区就可以了

我们前面给大家介绍了这样一个渗碳过程

我们说一般都在912度以上进行渗碳

如果对于低碳钢渗碳

在α和γ两相区的温度下进行

那么会出现什么样的现象

大家可以下来考虑一下

好

以上就是我们反应扩散的内容

谢谢大家