北航物理冶金原理5-擴(kuò)散

1、固體金屬中擴(kuò)散現(xiàn)象固體金屬中擴(kuò)散現(xiàn)象擴(kuò)散的基本概念擴(kuò)散的基本概念 固體金屬中原子的擴(kuò)散：在固體金屬中原子的擴(kuò)散：在濃度濃度梯度（化學(xué)位梯度）驅(qū)動梯度（化學(xué)位梯度）驅(qū)動下、通下、通過原子的過原子的熱激活作用熱激活作用（系統(tǒng)能量（系統(tǒng)能量起伏、大量原子的無規(guī)則躍遷）、起伏、大量原子的無規(guī)則躍遷）、發(fā)生的宏觀發(fā)生的宏觀物質(zhì)定向傳輸現(xiàn)象物質(zhì)定向傳輸現(xiàn)象 驅(qū)動力驅(qū)動力：化學(xué)位梯度（濃度梯度）化學(xué)位梯度（濃度梯度） 擴(kuò)散機(jī)制擴(kuò)散機(jī)制：原子的熱激活（原子的熱激活（Thermal Activation）熱激活過程熱激活過程Thermal Activation Process擴(kuò)散激活能擴(kuò)散激活能 溫度必須足夠高

2、：能量起伏、熱激溫度必須足夠高：能量起伏、熱激活過程活過程 時間足夠長：大量原子微觀上無規(guī)時間足夠長：大量原子微觀上無規(guī)則躍遷、物質(zhì)的定向傳輸則躍遷、物質(zhì)的定向傳輸 擴(kuò)散原子在溶質(zhì)中須固溶擴(kuò)散原子在溶質(zhì)中須固溶 擴(kuò)散必須有驅(qū)動力（濃度梯度、化擴(kuò)散必須有驅(qū)動力（濃度梯度、化學(xué)位梯度、應(yīng)變能梯度、表面能梯學(xué)位梯度、應(yīng)變能梯度、表面能梯度）度）固體中原子擴(kuò)散的條件固體中原子擴(kuò)散的條件材料合成、加工制備、使用過程就是控制擴(kuò)散材料合成、加工制備、使用過程就是控制擴(kuò)散的過程：的過程： 固態(tài)相變與熱處理過程：完全依靠原子擴(kuò)散固態(tài)相變與熱處理過程：完全依靠原子擴(kuò)散 凝固加工（鑄造、焊接、凝固加工（鑄造、焊接、

3、.) 材料熱加工（熱鍛、熱軋、熱擠壓材料熱加工（熱鍛、熱軋、熱擠壓, ) 材料的高溫力學(xué)性能與氧化、腐蝕性能：材料的高溫力學(xué)性能與氧化、腐蝕性能： 粉末冶金燒結(jié)：粉末冶金燒結(jié)： 表面化學(xué)熱處理與表面滲工藝，表面化學(xué)熱處理與表面滲工藝， 擴(kuò)散連接擴(kuò)散連接, .擴(kuò)散對材料科學(xué)與工程的意義擴(kuò)散對材料科學(xué)與工程的意義低碳鋼的滲碳處理低碳鋼的滲碳處理C%金屬材料滲鋁、滲硅、滲鉻金屬材料滲鋁、滲硅、滲鉻.半導(dǎo)體的摻雜，半導(dǎo)體的摻雜，.M%Sintering and Densification of Powders粉末的燒結(jié)與致密化粉末的燒結(jié)與致密化擴(kuò)散連接擴(kuò)散連接-Diffusion Bonding擴(kuò)散的

4、宏觀規(guī)律擴(kuò)散的宏觀規(guī)律菲克第一定律菲克第一定律 Ficks First Law 當(dāng)濃度梯度為常數(shù)時（當(dāng)濃度梯度為常數(shù)時（dc/dx = const.） J = D (dc/dx) 擴(kuò)散通量J：g/cm2.s 擴(kuò)散系數(shù) D: cm2/s 菲克第二定律菲克第二定律 Ficks Second Law菲克第二定律菲克第二定律 Ficks Second Law擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)D = Do e-Q/kTLn D = ln DoQ/kT 擴(kuò)散激活能及其實驗求法擴(kuò)散激活能及其實驗求法Ln Do1/TLn D斜率斜率 k = Q/R 求出求出Q幾種典型擴(kuò)散現(xiàn)象幾種典型擴(kuò)散現(xiàn)象 下坡擴(kuò)散下坡擴(kuò)散Down-Hill

5、 Diffusion ： 上坡擴(kuò)散上坡擴(kuò)散 Up-Hill Diffusion:Down-Hill Diffusion DA, DB Up-Hill Diffusion 上坡擴(kuò)散 過炮和固溶體的調(diào)幅分解Molybdenum WireCopperBrass （Cu-Zn Alloy）DZn Dcu擴(kuò)散的微觀機(jī)制擴(kuò)散的微觀機(jī)制（Mechanisms of Diffusion）Vacancy Mechanism: Diffusion of Substitutional Solute Atoms空位機(jī)制：置換式溶質(zhì)原子空位機(jī)制：置換式溶質(zhì)原子（置換式原子的擴(kuò)散就是空位的反向運動）（置換式原子的擴(kuò)散就是

6、空位的反向運動）空位機(jī)制：置換式溶質(zhì)原子空位機(jī)制：置換式溶質(zhì)原子（置換式原子的擴(kuò)散就是空位的反向運動）（置換式原子的擴(kuò)散就是空位的反向運動）間隙機(jī)制：間隙溶質(zhì)原子間隙機(jī)制：間隙溶質(zhì)原子Interstitial Mechanism: Diffusion of Interstitial Atoms間隙機(jī)制：間隙溶質(zhì)原子間隙機(jī)制：間隙溶質(zhì)原子 擴(kuò)散激活能Q：較置換式原子小得多 位錯、層錯、晶界、相界、表面位錯、層錯、晶界、相界、表面面缺陷面缺陷(晶界、相界、表面晶界、相界、表面): 溶質(zhì)原子擴(kuò)散的快速通道溶質(zhì)原子擴(kuò)散的快速通道晶內(nèi)、晶界及表面擴(kuò)散系數(shù)晶內(nèi)、晶界及表面擴(kuò)散系數(shù)晶內(nèi)、晶界及表面擴(kuò)散系數(shù)晶

7、內(nèi)、晶界及表面擴(kuò)散系數(shù)影響擴(kuò)散的因素：影響擴(kuò)散的因素：D = Doexp(-Q/RT) 溫度：溫度： D = Doexp(-Q/RT)熔點、原子間結(jié)合力，同溶劑原熔點、原子間結(jié)合力，同溶劑原子間的原子尺寸差、化學(xué)親和力等子間的原子尺寸差、化學(xué)親和力等 熔點熔點越高越高擴(kuò)散激活能越大擴(kuò)散激活能越大擴(kuò)散系數(shù)越小擴(kuò)散系數(shù)越小 原子間結(jié)合力越強(qiáng)原子間結(jié)合力越強(qiáng)擴(kuò)散激活能越大擴(kuò)散激活能越大擴(kuò)散系擴(kuò)散系數(shù)越小數(shù)越小 原子尺寸差原子尺寸差越小越小晶格奇變越小晶格奇變越小擴(kuò)散系數(shù)越擴(kuò)散系數(shù)越小小 化學(xué)親和力越高化學(xué)親和力越高（原子間結(jié)合力越強(qiáng)）（原子間結(jié)合力越強(qiáng)）擴(kuò)散擴(kuò)散激活能越大激活能越大擴(kuò)散系數(shù)越小擴(kuò)散系

8、數(shù)越小影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 溶劑金屬性質(zhì)：晶體結(jié)構(gòu)、熔點、結(jié)合能溶劑金屬性質(zhì)：晶體結(jié)構(gòu)、熔點、結(jié)合能 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)致密度越高致密度越高（BCC與與 FCC相差相差1500倍倍) 原子原子擴(kuò)散激活能越高、擴(kuò)散系數(shù)越小擴(kuò)散激活能越高、擴(kuò)散系數(shù)越小 熔點熔點越高（原子間結(jié)合力越強(qiáng)）越高（原子間結(jié)合力越強(qiáng)）擴(kuò)散擴(kuò)散激活能越大激活能越大擴(kuò)散系數(shù)越小擴(kuò)散系數(shù)越小 與溶質(zhì)原子化學(xué)親和力與溶質(zhì)原子化學(xué)親和力越高（原子間結(jié)越高（原子間結(jié)合力越強(qiáng)）合力越強(qiáng)）擴(kuò)散激活能越大擴(kuò)散激活能越大擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)越小越小 同溶質(zhì)原子的尺寸差同溶質(zhì)原子的尺寸差越小越小晶格奇變越小晶格奇變越小擴(kuò)散系數(shù)越小擴(kuò)散系數(shù)越小

9、元素原子元素原子自擴(kuò)散激活能自擴(kuò)散激活能與元素熔點的關(guān)系與元素熔點的關(guān)系Q = k . Tm元素原子元素原子自擴(kuò)散激活能自擴(kuò)散激活能與元素熔點的關(guān)系與元素熔點的關(guān)系Q = k . Tm晶晶體體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的影影響響影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 晶體缺陷密度：晶體缺陷密度： 空位濃度空位濃度: 過飽和空位過飽和空位（固溶后不能停留太長時間）（固溶后不能停留太長時間） 位錯及層錯密度：是擴(kuò)散的快速通道位錯及層錯密度：是擴(kuò)散的快速通道 晶界（晶粒尺寸）晶界（晶粒尺寸）: 納米材料納米材料（表面納米化滲氮）（表面納米化滲氮） 相界相界: 表面曲率：曲率半徑越小、表面自由能越高、擴(kuò)散表面曲率：曲率半徑越小

10、、表面自由能越高、擴(kuò)散驅(qū)動力越大驅(qū)動力越大（粉末冶金燒結(jié)、小晶粒縮小大晶粒長大）（粉末冶金燒結(jié)、小晶?？s小大晶粒長大） 其他合金元素的影響：其他合金元素的影響：或增加或減小或無影響或增加或減小或無影響 溶質(zhì)濃度：溶質(zhì)濃度： 鋼中：鋼中：Si、Co等非碳化物形成元素顯著提高碳等非碳化物形成元素顯著提高碳的活度的活度提高碳的提高碳的擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù) 鋼中：鋼中：Ti、Mo、Cr、V、W等強(qiáng)碳化物形成元等強(qiáng)碳化物形成元素顯著降低碳的活度素顯著降低碳的活度顯著降低碳的顯著降低碳的擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散在材料制備加工及使擴(kuò)散在材料制備加工及使用過程中的作用及重要性用過程中的作用及重要性 控制擴(kuò)散過程即控制控制擴(kuò)散過程即控制材料材料的動力學(xué)過程，的動力學(xué)過程，是控制材是控制材料組織、提高材料性能與料組織、提高材料性能與制備新材料的基礎(chǔ)！制備新材料的基礎(chǔ)！ 材料制備、加工與成形過程（合金材料制備、加工與成形過程（合金冶煉、熔煉合金化、鑄造、焊接、冶煉、熔煉合金化、鑄造、焊接、熱處理、熱機(jī)械處理、鍛造、軋制、熱處理、熱機(jī)械處理、鍛造、軋制、超塑成形、均