Định Luật Khuếch Tán - Tài Liệu Text - 123doc

Có thể bạn quan tâm

Tải bản đầy đủ (.docx) (22 trang)

Trang chủ

Kỹ Thuật - Công Nghệ

Cơ khí - Chế tạo máy

Định luật khuếch tán

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (574.73 KB, 22 trang )

TIỂU LUẬN 4:DỰA TRÊN CÁC ĐỊNH LUẬT KHUẾCH TÁN, XÁC ĐỊNHQUAN HỆ GIỮA THỜI GIAN THẤM C, NHIỆT ĐỘ vàCHIỀU DÀY LỚP C CHO CHI TIẾT.A.Trước hết ta nhắc lại các định luật khuếch tánI.Khuếch tán trạng thái ổn định và định luật khuếch tán FickIKhuếch tán là quá trình phụ thuộc thời gian – nghĩa là ở mứcvĩ mô , lượng nguyên tố dịch chuyển trong nguyên tố khác là hàmthời gian . Nói chung , cần phải biết tốc độ khuếch tán , tốc độ nàythương được biểu thị dưới dạng thông lượng khuếch tán , J , là khốilượng , hoặc số lượng nguyên tử , M , khuếch tán theo phươngvuông góc qua một đơn vị diện tích bề mặt chất rắn trong một đơnvị thời gian . Có thể biểu diễn đại lượng này dưới dạng toán học :J = M /(At)Trong đó , A là diện tích bể mặt khuếch tán , t là thơi giankhuếch tán . biểu thức dạng vi phân :J = (1/A)(dM/dT)Đơn vị của J là kg hoặc số nguyên tử trên một đơn vị diệntích , m2 , và đơn vị thời gian , giây , kg/m2s hoặc số nguyêntử /m2s .1Nếu thông lượng khuếch tán thay đổi theo thời gian , quá trìnhnày được gọi là khuếch tán trạng thái - ổn định . Ví dụ điển hình vềkhuếch tán trạng thái - ổn định là sự khuếch tán các nguyên tử khíqua tấm kim loại , với nồng độ hoặc áp suất của các chất khuếch tánlà không đổi ở cả hai bề mặt của tấm này . hình a bên dưới(a)Khuếch tán trạng thái dừng qua một bản mỏng.(b) Profilenồng độ tuyến tính cho quá trình khuếch tán (a)2Đồ thị nồng độ C theo vị trí , hoặc khoảng cách , x , bên trong vậtrắn , được gọi là biên dạng nồng độ ; độ dốc tại một điểm trênđường cong này được gọi là gradient nồng độ :Gradient nồng độ = dC / dxTrong trường hợp này, biên dạng nồng độ là tuyến tínhhình b và : gradient nồng độ = ΔC/Δx = (CA – CB)/(xA – xB)Đối với các tính toán khuếch tán , có thể sẽ thuận tiện hơn nếubiểu thị nồng độ theo khối lượng các chất khuếch tán trong một đơnvị thể tích chất rắn , kg/cm3 hoặc g/cm3J = -DdC/dx = D gard (c) .Hằng số tỷ lệ D được gọi là hệ số khuếch tán , đơn vị là m2/s .Dấu âm trong phường trình trên biểu thị khuếch tán xảy ra theochiều giảm gradient nồng độ , từ nơi có nồng độ cao đến nơi cónồng độ thấp . Phương trình trên là dạng toán học của định luật Fickthứ nhất (Fick I ) .Định luật FickI nêu lên quan hệ giữa dòng nguyên tử khuếch tán Jqua một đơn vị bề mặt vuông góc với phương khuếch tán vàGradient nồng độ δc/δx:J = -D dC /dx = -D grad (C) (1.1)Trong đó:- Dấu trừ chỉ dòng khuếch tán theo chiều giảm nồng độ- D hệ số khuếch tán ( cm2/s)Trong nhiều trường hợp:3D = D0.exp(-Q/RT)D0: hằng số ( cm2/s)Q: hoạt năng khuếch tánT: nhiệt độ khuếch tán (K)R: hằng số khí ( R=1,98cal/mol)Từ những trị số D0 và Q có thể xác định hệ số khuyếch tán D ở nhiệtđộ bất kỳ và đặc điểm của quá trình khuếch tánĐối với các phản ứng khuếch tán , có thể có vài dạng lựctruyền động ; nhưng khi khuếch tán tuân theo phương trình trên ,lực truyền động chính là gradient nồng độ .Trên hình 1.1 biểu diễn sự phụ thuộc hệ số khuếch tán khác loại củaCu trong Al trong hệ trục lgD ≈ 1/TD1cm²/s-510-1110-1610-21101002003005001000°CHình 1.1 Hệ số khuếch tán của Cu trong Al phụ thuộc và nhiệt độ4Bảng1.1 Số liệu thực nghiệm D0 và QChấtTrong dungVùngkhuếmôichtánAlZnFeCNNBD0,Q,D ở nhiệt độ,nhiệt độ, cm2/sKcal/0molcm2/s5000CC2000CAl450 ÷1,7134,04,5.10-10 -Cuα – Feα – Feα – FeCrFe40N40B20650700÷750500÷750-0,342,000,203.10-23.10-41,1.1045,560,624,618,224,482,81,5.10-138,0.10-182,8.10-89,0.10-94,0.10-113,0.10-15--8AgPd81Si19-2,0.10 29,91,2.10-13 --6Na+Cl-NaClNaCl350÷750 0,538,01,1.10 51,42,8.10-11 1,7.10-13 -2Ag+Ag+O2H2AgBrGaAs1,216,0500÷100 2,5.10 9,0PolyetylenCao su tự0-5,0.10-61,8.10-121,2.10-10-1,8.10-91,0.10-7-32,090,2612,26,0nhiên5Ở trạng thái rắn ( nhiệt độ < 6600C) D tăng rất nhanh theonhiệt độ, còn ở trạng thái lỏng DL thay đổi không đáng kể. Trongnhiều trường hợp DL được xác định theo biểu thức DL = const(T/η)η là độ sệt. Ở gần nhiệt độ nóng chảy DL khoảng 10-4 cm2/s. Hệ sốkhuếch tán tăng vài cỡ số khi chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng. Ởtrạng thái rắn độ dốc của đường lnD = f(1/T) là Q/R. Do vậy từ trịsố D ở hai nhiệt độ khác nhau có thể xác định được D0 và Q và từnhững trị số của D0 và Q có thể xác định được D tại bất kỳ nhiệt độnào, cũng như cơ chế khuếch tán của chúng.Ví dụ : thực tiễn về quá trình khuếch tán trạng thái ổn định làquá trình lọc khí hydro . Hỗn hợp khí gồm hydro và tạp chất , chẳnghạn nitrogene , oxy , hơi nước , tiếp xúc với một phía tấm kim loạipalladi mỏng . Hydro khuếch tán có chọn lọc qua tấm này sang phíđối diện , ở phía đó hydro có áp suất thấp và không đổiII. Khuếch tán trang thái – không ổn định và định luật FickIIHầu hết các quá trình khuếch tán thực tiễn đều là khuếch tántrạng thái – không ổn định . Trong loại khuếch tán này , thông lượngkhuếch tán và giradient nồng độ tại một điểm trong chất rắn biếnthiên theo thời gian . Hình bên dưới mô tả biên dạng nồng độ tai bathời điểm khác nhau . Phương trình định luật Fick I không còn thíchhợp cho các điều kiện trạng thái không ổn định thay vào đó , có thểdùng phương trình vi phân riêng phần :6δC/δt = δ/δx(DδC/δt)Là phương trình của định luật Fick thứ hai . Nếu hệ số khuếchtán D độc lập với thành phần ( được kiểm chứng cho từng trườnghợp khuếch tán cụ thể ) phường trình trên trở thành :δC/δt = Dδ2C/δx2Có thể tìm được các nghiệm của phương trình này , chủ yếutính theo vị trí thời gian , khi biết các điều kiện biên thích hợpMột trong các nghiệm có tầm quan trọng thực tiễn được tính chovật rắn bán vô hạn , trong đó , nồng độ ở bề mặt được giả thiết làkhông đổi . Thanh được coi là bán vô hạn nếu không có nguyên tửnào khuếch tán đến cuối thanh trong suốt thời gian khuếch tán .Thanh chiều dài l được coi là bán vô hạn khi l > 10 . nói chung, nguồn các nguyên tử khuếch tán thường là phía khí , áp suất riêngphần của pha này được coi là không đổi . Hơn nữa , còn có các giảthiết sau đây :1.Trước khi khuếch tán , các nguyên tử chất hòa tan bất kỳtrong chất rắn được phân bố một cách đồng nhất với nồng độ C0 .2. Giá trị x ở bề mặt là bằng không và tăng dần theo khoảngcách tiến vào bên trong vật rắn .3.Thời gian được coi là bằng không vào thời điểm bắt đầu quátrình khuếch tán .7Hình biên dạng nồng độ khuếch tán trạng thái – không ổn định vớiba thời điểm t1 , t2 , t3 .Có thể viết lại điều kiện biên này dưới dạng :Khi t = 0 , C = C0 tại 0 khí > rắnNói chung thời gian thấm được tính như sau :+Khi thấm ở thể rắn ở 9000C với lớp thấm trên dưới 1mm theomức cứ 0.1 mm chiều sâu cần thấm 1 giờ nung nóng và giữ nhiệthay 0.15mm/1h giữ nhiệt+Khi thấm ở thể khí ở 9000C với lớp thấm trên dưới 1mm .theo mức 0.2mm/1h giữ nhiệtc. Chất thấm và quá trình xảy ra•Chất thấm là loại chất thấm cổ xưa nhất hiện còn dùng nhiều ởnước ta14•Chất thấm chủ yếu là than gỗ ( haymùn cưa ) 80 – 95 % và lượng nhỏcác muối cacbônát (Na2CO3 ,BaCO3 … ) hoặc muốn khác có tácdụng xúc tác , làm nhanh quá trìnhthấm . Sau khi trộn đều , cho vàohộp cùng với chi tiết , đây kín rồi đem nung lên đến nhiệt độ thấm•sẽ có quá trình sau :Than gỗ (mùn cưa) cháy trong điều kiên thiếu ôxy dễ tạo nên ôxýtcacbon :2C + O2 ->2COKhí CO khi gặp bề mặt thép lại bị phân tích2CO -> 2CO2 + Cnguyên tửCác bon nguyên tử vừa mới tạo thành bị hấp thụ và khuếch tánvào théo ở dạng dung rắn auxtenit với nồng độ cacbon cao dần :Cnguyên tử + Fe -> Fe(C) 0.1 -> 0.8 -> 1.2%CCác muối bị phản hóa và xúc tác như sau :BaCO3 -> BaO + CO2CO2 + Cthấm -> 2CO2CO CO2 + Cnguyên tử•Đặc điểm của thấm cacbon thể rắn là :+ Thời gian dài (do tốn công và nhiệt nung nóng cả hộpthan ) , điều kiện lao động xấu (bụi than) khó cơ khí hóa15+Nồng độ cacbon ở bề mặt thường đạt tới 1.2-1.3%C tươngứng với giới hạn bão hòa , đườngSE ở 9000C , có lưới cacbitxementic II làm xấu chất lượng+Song đơn giản , dễ tiến hành ,nên ở ta được áp dụng nhiềuChất thấm thể khí :Như đã nói ở trên , tuy thấmcacbon thể rắn song vẫn phải thông qua pha khí . Có thể dùng trựctiếp các khí thấm như CO hoặc CH4 để thấm•Trong thực tế người ta thường chế tạo khí thấm cacbon từ khí đốtthiên nhiên mà thành phần chủ yếu của nó là CH4 ( mê tan ) , có tácdụng thấm rất mạnh . Muốn thấm được tỷ lệ của nó trong hỗn hợpchỉ cần 3 – 5 % ( trong khi đó CO phải hơn 95% ) theo phản ứng :CH4 -> 2H2 + Cnguyên tửNgười ta pha loãng và pha chế khí thiên nhiên sao cho nó cónồng độ thích hợp để chị tạo nên lớp thấm có 0.8 – 1.0% theo yêucầu . Đó là ưu điểm nổi bật của thấm cacbon thể khíở các nước công nghiệp thấm cacbon thể khí ở trong các lò bằng tảicó phân các vùng nhiệt độ và khí thấm theo yêu cầu , sau khi đi hết1 vòng , chi tiết lần lượt được nung nóng , thấm cacbon , tôi , ram ,làm sạchKhi không có lò băng tải và khí thiên nhiên có thể dùng lò chukì với nhỏ giọt dầu hỏa . Ở nhiệt độ cao dầu hỏa bị nhiệt phản và tạo16nên hydro cacbon , chúng cũng có tác dụng thấm tuy yếu hơn metan.Với cách nhỏ giọt dầu hỏa thích hợp ( mạnh trong thơi gian dầu ,giảm đi sau đó ) vừa tăng được năng suất thấm vừa đảm bảo bề mặtthấm không bị bão hòa cacbonVậy thấm ở thể khí có 3 đặc điểm :- Năng suất cao , thơi gian thấm tương đối ngắn-Chất lượng tốt , bảo đảm nồng độ C quy định trong lớp thấm-Dễ cơ khí hóa , điêu kiện lao động tốtChất thấm thể lỏngÍt dùng do năng suất thấp , chỉ áp dụng được cho chi tiết bé ,điều kiện lao động xấud. nhiệt luyện sau khi thấm•Sau khi mẫu thử đạt đến chiều sâu lớp thấm quy định (tính đến lớpcó 0.4%C – 50%F + 50%P ) mẻ thấm được đem tôi đạt độ cứng bềmặt cao và làm cho hạt nhỏ , lõi có độ bền cao . Có nhiều phươngán tôi khác nhau Tôi trực tiếp (hình)•Áp dụngcho thép có bản chấphạt nhỏ .Sau khi thấm xongđem tôingay mà không nungnóng lại .Song lúc đó nhiệt độquá cao(9000C) , người ta để17chi tiết nguội xuống còn 8500C – 8600C rồi mới tôi để tránh ứng•suất nhiệt . Cách tôi này bảo đảm độ biến dạng rất nhỏ Tôi hai lần (hình)Áp dụng cho thép cacbon và hợp kim thường , có yêu cầu cao về cơtính . Do giữ nhiệt lâu ở nhiệt độ cao hạt bị lớn . phải có quá trìnhnung , tôi , dưa vào chuyến biến P -> ɣ sẽ tạo nên hạt nhỏ . Song saukhi thấm chi tiết gồm hai phần :-Lõi có cacbon thấp với nhiệt độ cao-Bề mặt có cacbon vao với nhiệt độ tôi thấp hơnDo vậy để đảm bao yêu cầu kĩ thuật cho cả 2 phần đó người taphải tiến hành tôi hai lần như sau :Sau khi thấm cacbon xong , chi tiết được thương hóa dể tạoxementit nhỏ , giúp chonung tôi tiếp thoe được hạtauxtenit nhỏ+Tôi lần 1 ( > Ac3 củalõi ) : 800 – 9000C làm hạtnhỏ bảo đảm lõi bền , dẻodai , nhưng bề mặt lại chưa đạt độ cứng cao nhất , nên sau đó lại+Tôi lần 2 (>Ac1) : 760 – 7800C làm bề mặt cứngCách tôi này tuy đảm bảo được cơ tính theo yêu cầu nhưngtăng biến dạng vì phải làm nguội tới ba lần từ nhiệt độ cao , nênngày nay ít được áp dụngTôi một lần (hình)18•Áp dụng cho thép cacbon và hợp kim thường có yêu cầu không caovề cơ tính , sau khi thấm , thường hóa , chỉ tôi một lần ở nhiệt độtrung gian giữa hai loại trên :Khi yêu cầu năng về bảo đảm độ cứng bề mặt : tôi ở nhiệt độthấp 820-8500CKhi yêu cầu năng về bảo đảm độ bền lõi : tôi nhiệt độ cao :860 – 8800CSau khi tôi tiến hành ram thâp : 180 – 2000C trong 1 – 1.5hVới thép crôm – niken nhiệt luyện sau khi thấm còn phức tạphơne.Đặc điểm về thành phần hóa họcThép thấm cacbon là loại thép có thành phần cacbon thấp: 0,10 0,25% (cá biệt có thể tới 0,30%) để chế tạo các chi tiết chịu tải trọngtĩnh và va đập cao nhưng bề mặt bị mài mòn mạnh như bánh răng,cam, chốt... Để đạt được yêu cầu đó thép phải qua thấm cacbon (baogồm cả tôi + ram thấp sau khi thấm), nên được đặt tên như trên.CacbonLượng cacbon trong thép được quy định trong khoảng 0,10 0,25% để bảo đảm độ dẻo, độ dai cao của lõi ở cả trạng thái tôi +ram thấp để đạt được độ bền cao nhất. Dùng giới hạn dưới khi cầnđộ dai cao hơn, dùng giới hạn trên khi cần độ bền cao hơn. Trongmột số trường hợp cần đạt độ bền cao hơn nữa có thể dung tới0,30%C. Nếu dùng cao hơn nữa độ dai của lõi sẽ thấp khi tôi + ram19thấp, không chịu được tải trọng va đập.Các thép cacbon có độ thấm tôi thấp, chỉ dùng cho chi tiết nhỏ(ф < 10 - 20) và hình dạng đơn giản (vì phải tôi nước), chỉ chịu màimòn bình thường. Do phải chịu nung lâu ở nhiệt độ cao khi thấmcacbon, các thép thấm cacbon phải là loại được khử ôxy triệt để(thép lặng), tốt nhất là loại hạt nhỏ để hạt không bị to, làm thépgiòn.Hợp kimNgược lại, ưu thế của thép hợp kim là có độ thấm tôi cao,dùng cho chi tiết lớn (ф> 30 - 50), hình dạng phức tạp và chịu màimòn cao.Để bảo đảm các yêu cầu trên các nguyên tố hợp kim dùngtrong thép thấm cacbon phải bảo đảm cả hai tác dụng: vừa làm tăngtính thấm tôi để nâng cao độ bền lại vừa thúc đẩy quá trình thấmcacbon (hoặc ít ra cũng không cản trở). Với ý nghĩa đó người takhông dùng silic vì gây thoát cacbon nên cản trở quá trình thấmcacbon. Nguyên tố hợp kim cơ bản có mặt trong mọi thép hợp kimthấm cacbon là crôm, có thể dùng nó riêng rẽ hay kết hợp với niken,mangan. Cũng không dung thép chỉ hợp kim hóa bằng mangan donguyên tố này thúc đẩy hạt austenit phát triển khi thấm cacbon.Bảng 5.3. Thành phần hóa học (trung bình, %) của một số mác thépthấm cacbon20f. Công dụngThấm cacbon cũng cho cơ tính , công dụng như tôi bề mặt : bềmặt cứng , lõi dẻo song ở mức cao hơn ( 60 – 63 / 52 – 58 HRC ởbề mặt , 30 – 40 / 10 – 25 HRC ở lõi ) . do đó nó bảo đảm tính21chống mài mòn và chịu tải tốthơn . Vì vậy thâm cacbonthương fđược cap dụng cho chitiết làm việc trong diều kiệnnăng hơn . Ví dụ cùng là bánhrăng song ở ô tô thì thấm cacbon . ơ máy cắt thì chỉ cần tôi bề mặtThấm cacbon áp dụng cho chi tiết có hình dạng phức tạp , khôngđều đặn và cho lớp thấm đều ,đây là ưu điểm so với tôi bềmặt. Những chỗ không chophép thấm phải ngăn cản bằngcách mạ đồng hoặc phếp đất sétTuy có ưu việt hơn về mặt cơtính , song thấm cacbon có giáthành đặt hơn do tốn nhiệt , thơi gian dài , năng suất thấp hơn.Sự cân nhắc giữ hại mặt đó sẽ cho phép chọn công nghệ nào hợp líhơn (ảnh lò thấm cabon).------------------------------ Hết-----------------------------------22

Tài liệu liên quan

THUYẾT ELECTRON CỔ ĐIỂN ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐIỆN TÍCH
- 7
- 770
- 1
Lịch sử của định luật bảo toàn khối lượng
- 2
- 905
- 1
Các định luật cơ bản của động lực học
- 89
- 743
- 5
Các định luật của Newton về chuyển động
- 5
- 660
- 1
Bài giảng các định luật p1
- 12
- 450
- 0
Bài giảng các định luật trong hóa học p2
- 10
- 511
- 0
Các định luật di truyền một tính trạng
- 6
- 559
- 3
Tài liệu BÀI GIẢNG ĐỊNH LUẬT VẠN VẬT HẤP DẪN VŨ TRỤ, THIÊN VĂN HỌC pdf
- 10
- 670
- 7
Khuếch tán tạp chất
- 28
- 557
- 0
Tài liệu Các phép lai được sử dụng để tìm ra các định luật di truyền pptx
- 25
- 452
- 4