6凝固與擴散

第六章凝固與擴散

1、概念

凝固、結晶、過冷、過冷度、結構起伏、能量起伏、均勻形核、非均勻形核、臨界晶核半徑、臨界形核功及物理意義、形核率、光滑介面、粗糙介面；

擴散通量、穩態擴散、非穩態擴散、擴散係數、擴散啟用能、菲克第一定律、菲克第二定律、柯肯達爾效應、互擴散(化學擴散）、自擴散、上坡擴散、反應擴散。

2、分析、判斷、計算

液態金屬在正、負溫度梯度下的生長過程，控制凝固後晶粒大小方法；

擴散相關物理量計算；分析影響擴散的因素，解釋一些現象；

利用一些結論如「鋼鐵材料滲碳處理時，擴散需要的時間 t 與擴散距離 x 的平方成正比，即t ∝x2 」，以及「同乙個擴散系統，擴散係數 d 與擴散時間 t 的乘積為一常數，即 d·t = 常數」解決實際問題。

凝固：物質由液態到固態的轉變過程。

結晶：固態金屬或合金多屬於晶體，所以金屬的凝固，又叫做結晶。

過冷：溫度明顯低於熔點tm（理論結晶溫度）。

過冷度：溫度tm就是金屬的熔點（melting point），也就是理論結晶溫度，δt = tm-t，稱為過冷度（undercooling）。

結構起伏：液態金屬中存在著原子排列規則（有序）的小區域（原子集團），這些大小不一的原子集團是與固態結構類似的；這些原子集團不穩定，一會兒在這裡消失，一會兒在那裡出現（原子重新聚集），此起彼伏，這種現象稱為結構起伏。

能量起伏：造成結構起伏的原因是液態金屬中存在著能量起伏，能量低的地方有序原子集團才能形成，遇到能量高峰又散開成無序狀態。

均勻形核：均勻（或均質）形核是指在均勻單一的液相中形成固相結晶核心的過程。

非均勻形核：實際金屬結晶時，往往在不到10℃的很小過冷度下就開始結晶了，並不需要均勻形核時那樣大的過冷度，這種形核方式稱為非均勻形核，也叫做非均質形核或異質形核。

臨界晶核半徑：過冷金屬液體中的晶胚只有大於一定尺寸（r*）後才能穩定存在並繼續長大，一定尺寸（r*）稱為臨界晶核半徑。

臨界形核功及物理意義：形成臨界晶核所需的能量δg*稱為臨界形核功。

形核率：是指在單位時間內，單位體積的金屬液體中形成的晶核數。

光滑介面：是指固相表面為基本完整的原子密排面，固液兩相截然分開，從微觀上看介面是光滑的，但是從巨集觀來看，介面呈鋸齒狀的折線。

粗糙介面：在微觀上高低不平、粗糙，存在幾個原子厚度的過渡層，但是巨集觀上看，介面反而是平直的。

擴散通量：在單位時間內通過垂直於擴散方向的單位截面積的擴散物質流量稱為擴散通量，用j表示。

穩態擴散：在擴散過程中，各處的擴散組元的濃度只隨距離x 變化，而不隨時間t 變化。

非穩態擴散：在擴散過程中，和 j 都隨時間變化。通過各處的擴散通量 j 隨著距離 x 在變化，而穩態擴散的擴散通量則處處相等，不隨距離而發生變化。

擴散係數：是描述擴散速度的重要物理量，它相當於濃度梯度為1時的擴散通量，d值越大則擴散越快。

菲克第一定律：擴散通量與該截面處的濃度梯度成正比，也就是說，濃度梯度越大，擴散通量越大。數學表示式如下：。

菲克第二定律：在非穩態擴散過程中，在距離x 處，濃度隨時間的變化率等於該處的擴散通量j 隨距離變化率的負值，即。將代入上式，得。

柯肯達爾效應：對於置換固溶體，即溶劑與溶質原子半徑相差不大時，原子擴散時必須與相鄰原子作置換，兩者的可動性大致屬於同一數量級，須考慮溶劑和溶質原子的不同擴散速率。這種不等量擴散現象稱為柯肯達爾效應。

互擴散(化學擴散）：依賴於濃度梯度的擴散。

自擴散：僅由熱振動而產生擴散，不依賴於濃度梯度的擴散。

上坡擴散：物質從低濃度向高濃度擴散。

反應擴散：在擴散過程中濃度變化到一定值時，有新相形成，這種互擴散稱為反應擴散。