当前课程知识点:材料科学基础 > 第四章 晶态固体中的扩散 > 4.6 反应扩散 > 反应扩散
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
-绪论
-绪论
-讨论1
-讨论2
-2.1 原子结构与原子轨道
--原子结构与轨道
-2.2 电子排布规律
--电子排布规律
--电子排布规律
-2.3 晶体中的结合键
--晶体中的结合键
--原子结构与键合
-2.4 晶体结构与空间点阵
-2.5 晶系与布拉菲点阵
--晶系与布拉菲点阵
--晶系与布拉菲点阵
-2.6 晶向指数与晶面指数
-2.7 晶面间距与晶面夹角
-2.8 晶体的宏观对称性
--晶体的宏观对称性
--晶体的宏观对称性
-讨论1
-讨论2
-习题-第2章
-3.1 金属的晶体结构
--金属的晶体结构
--金属的晶体结构
-3.2 金属晶体的堆垛与间隙
-3.3 合金基本概念
--合金的基本概念
--合金的基本概念
-3.4 固溶体
--固溶体
--固溶体
-3.5 化合物
--化合物
--化合物
-3.6 陶瓷的晶体结构
--陶瓷的晶体结构
--陶瓷的晶体结构
-3.7 高分子的基本结构
--高分子的基本结构
--高分子的基本结构
-3.8 非晶、准晶和纳米晶
-讨论1
-讨论2
-习题-第3章
-4.1 扩散的宏观规律
--扩散的宏观规律
--扩散的宏观规律
-4.2 扩散的微观机制
--扩散的微观机制
--扩散的微观机制
-4.3 扩散与原子的随机行走
-4.4 扩散系数与扩散激活能
-4.5 扩散的影响因素
--扩散的影响因素
--扩散的影响因素
-4.6 反应扩散
--反应扩散
--反应扩散
-讨论1
-讨论2
-习题-第4章
-5.1 纯金属的结晶
--纯金属的结晶
--纯金属的结晶
-5.2 金属结晶的基本条件
-5.3 液态金属的结构
--液态金属的结构
--液态金属的结构
-5.4 均匀形核
--均匀形核
--均匀形核
-5.5 非均匀形核
--非均匀形核
--非均匀形核
-5.6 晶体长大的动力学条件和液固界面微观结构
-5.7 阶梯的长大机制和生长形态
-讨论1
-讨论2
-习题-第5章
-6.1 匀晶相图
--匀晶相图
--匀晶相图
-6.2 共晶相图
--共晶相图
--共晶相图
-6.3 共析相图与包晶相图
-6.4 其他二元相图
--其他二元相图
--其它二元相图
-6.5 铁碳合金的组元及基本相
-6.6 Fe-Fe3C相图分析与工业纯铁结晶过程
-6.7 钢的结晶过程
--钢的结晶过程
--钢的结晶过程
-6.8 白口铸铁的结晶过程
-6.9 碳对铁碳合金平衡组织的影响
-6.10 碳对Fe-C合金机械性能的影响
-6.11 三元相图的表示方法
-6.12 直线法则与杠杆定律
-6.13 重心法则
--重心法则
--重心法则
-6.14 三元匀晶相图与等温截面图
-6.15 变温截面与投影图
--变温截面与投影图
--变温截面与投影图
-6.16 具有共晶三相平衡的三元系相图概况
-6.17 具有共晶三相平衡的三元系相图分析
-6.18 具有共晶三相平衡的三元系相图截面图与投影图
-讨论1
-讨论2
-习题-第6章
-7.1 固态相变的特点分类
-7.2 固态相变的形核与生长
-7.3 成分保持不变的(无扩散)相变
-7.4 过饱和固溶体的分解
-7.5 共析转变
--共析转变
--共析转变
-7.6 马氏体转变(一)
--马氏体转变(一)
--马氏体转变(一)
-7.7 马氏体转变(二)
--马氏体转变(二)
--马氏体相变(二)
-7.8 贝氏体相变
--贝氏体相变
--贝氏体转变
-讨论1
-讨论2
-习题-第7章
-8.1 点缺陷
--点缺陷
--点缺陷
-8.2 位错的基本概念
--位错的基本概念
--位错的基本概念
-8.3 柏氏矢量
--柏氏矢量
--柏氏矢量
-8.4 位错的运动
--位错的运动
--位错的运动
-8.5 位错的弹性性质
--位错的弹性性质
--位错的弹性性质
-8.6 位错的交互作用
--位错的交互作用
--位错的交互作用
-8.7 位错的生成与增殖
--位错的生成与增殖
--位错的生成与增殖
-8.8 实际晶体中的位错
--实际晶体中的位错
--实际晶体中的位错
-8.9 位错反应
--位错反应
--位错反应
-8.10 晶界与相界
--晶界与相界
--晶界与相界
-讨论1
-讨论2
-习题-第8章
-9.1 金属的应力-应变曲线
-9.2 单晶体的塑性变形-滑移
-9.3 单晶体的塑性变形-孪生
-9.4 多晶体的塑性变形
--多晶体的塑性变形
--多晶体的塑性变形
-9.5 多相合金的塑性变形
-9.6 聚合物与陶瓷的塑性变形
-9.7 变形后的组织与性能
-9.8 晶体的断裂
--晶体的断裂
--晶体的断裂
-9.9 回复和再结晶
--回复和再结晶
--回复和再结晶
-9.10 再结晶形核和长大
--再结晶形核和长大
--再结晶形核和长大
-9.11 再结晶组织控制
--再结晶组织控制
--再结晶组织控制
-9.12 蠕变、超塑性变形
--蠕变、超塑性变形
--蠕变、超塑性变形
-讨论1
-讨论2
-习题-第9章