金屬學及熱處理

1、授課教師:楊秀英 金屬學及熱處理沈陽理工大學應用技術學院沈陽理工大學應用技術學院第8章 擴散為什么探討擴散為什么探討擴散? ?引言擴散是固體中物質(zhì)傳輸?shù)奈ㄒ环绞?。擴散是固體中物質(zhì)傳輸?shù)奈ㄒ环绞健U散與固體材料中發(fā)生的許多變化過程密擴散與固體材料中發(fā)生的許多變化過程密切相關，諸如合金的凝固、鑄件的成分均切相關，諸如合金的凝固、鑄件的成分均勻化、變形金屬的回復和再結(jié)晶、陶瓷的勻化、變形金屬的回復和再結(jié)晶、陶瓷的燒結(jié)、材料的固態(tài)相變以及各種表面處理燒結(jié)、材料的固態(tài)相變以及各種表面處理等。等。 因此，研究擴散問題對于了解和因此，研究擴散問題對于了解和分析材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)變化以及控分析材料內(nèi)部的微觀結(jié)

2、構(gòu)變化以及控制這些過程是非常重要的。本章主要制這些過程是非常重要的。本章主要討論固態(tài)金屬中擴散的宏觀規(guī)律、微討論固態(tài)金屬中擴散的宏觀規(guī)律、微觀機制及其影響因素。觀機制及其影響因素。8.1 8.1 概述概述8.2 8.2 擴散定律擴散定律8.38.3 影響擴散的因素影響擴散的因素 本章教學目的：本章教學目的： 1 1 闡明擴散定律，了解擴散定律的應用；闡明擴散定律，了解擴散定律的應用； 2 2 了解影響擴散的因素了解影響擴散的因素 重點：重點： (1) (1) 擴散第一定律；擴散第一定律； (2) (2) 固態(tài)金屬擴散的條件；固態(tài)金屬擴散的條件； (3) (3) 影響擴散的因素；影響擴散的因素；

3、 一、擴散的現(xiàn)象和本質(zhì)一、擴散的現(xiàn)象和本質(zhì)二、擴散機制二、擴散機制三、固態(tài)金屬擴散的條件三、固態(tài)金屬擴散的條件四、固態(tài)金屬擴散的分類四、固態(tài)金屬擴散的分類8.1 8.1 概述概述一、擴散的現(xiàn)象和本質(zhì)一、擴散的現(xiàn)象和本質(zhì) 物質(zhì)中原子物質(zhì)中原子( (或離子、分子或離子、分子) )的遷移現(xiàn)象稱為擴散的遷移現(xiàn)象稱為擴散（1 1）現(xiàn)象：柯肯達爾效應。）現(xiàn)象：柯肯達爾效應。（2 2）本質(zhì)：原子無序躍遷的統(tǒng)計結(jié)果。）本質(zhì)：原子無序躍遷的統(tǒng)計結(jié)果。（不是原子的定向（不是原子的定向 移動）。移動）。二、擴散機制二、擴散機制（1 1）空位擴散機理）空位擴散機理在純金屬或置換固溶體中，主要是通過原子在純金屬或置換固

4、溶體中，主要是通過原子遷移到鄰近的空位，即原子與空位交換位置遷移到鄰近的空位，即原子與空位交換位置來實現(xiàn)擴散，此種方式進行擴散的機理稱為來實現(xiàn)擴散，此種方式進行擴散的機理稱為空位擴散機理?？瘴粩U散機理。（1 1）間隙擴散機理）間隙擴散機理 在間隙固溶體中，一個擴散的溶質(zhì)原子，在間隙固溶體中，一個擴散的溶質(zhì)原子，從其所占據(jù)的間隙位置跳到鄰近的另一個空從其所占據(jù)的間隙位置跳到鄰近的另一個空著的間隙位置進行擴散，此種方式進行擴散著的間隙位置進行擴散，此種方式進行擴散的機理稱為間隙擴散機理。的機理稱為間隙擴散機理。三、固態(tài)金屬擴散的條件三、固態(tài)金屬擴散的條件(1)(1)要有足夠高的溫度。要有足夠高的溫

5、度。(2)(2)要有足夠長的時間要有足夠長的時間(3)(3)擴散原子在基體金屬中必須有一定固溶度，擴散原子在基體金屬中必須有一定固溶度，使之能夠溶入基體晶格，形成固溶體，才能進使之能夠溶入基體晶格，形成固溶體，才能進行固態(tài)擴散。行固態(tài)擴散。(4)(4)要有驅(qū)動力。要有驅(qū)動力。四、固態(tài)金屬擴散的分類四、固態(tài)金屬擴散的分類（1 1）根據(jù)有無濃度變化）根據(jù)有無濃度變化 自擴散：原子經(jīng)由自己元素的晶體點陣而自擴散：原子經(jīng)由自己元素的晶體點陣而遷移的擴散。遷移的擴散。 ( (如純金屬或固溶體的晶粒長大如純金屬或固溶體的晶粒長大- -無濃度變化。無濃度變化。) ) 互擴散：原子通過進入對方元素晶體點陣互擴

6、散：原子通過進入對方元素晶體點陣而導致的擴散。（有濃度變化）而導致的擴散。（有濃度變化）（2 2）根據(jù)擴散方向）根據(jù)擴散方向 下坡擴散：原子由高濃度處向低濃度處進行下坡擴散：原子由高濃度處向低濃度處進行 的擴散。的擴散。 上坡擴散：原子由低濃度處向高濃度處進行上坡擴散：原子由低濃度處向高濃度處進行 的擴散。的擴散。（3 3）根據(jù)是否出現(xiàn)新相）根據(jù)是否出現(xiàn)新相 原子擴散：擴散過程中不出現(xiàn)新相。原子擴散：擴散過程中不出現(xiàn)新相。 反應擴散：由之導致形成一種新相的擴散。反應擴散：由之導致形成一種新相的擴散。8.2 8.2 擴散定律擴散定律 菲克第一定律菲克第一定律（Fick 1855） 菲克（菲克（A

7、. Fick）于）于1855年通過實驗得出了關于穩(wěn)年通過實驗得出了關于穩(wěn)定態(tài)擴散的第一定律，即在擴散過程中，在單位時間內(nèi)定態(tài)擴散的第一定律，即在擴散過程中，在單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的單位截面積的擴散物質(zhì)流量通過垂直于擴散方向的單位截面積的擴散物質(zhì)流量J與濃與濃度梯度度梯度dC/dx成正比。其數(shù)學表達式為：成正比。其數(shù)學表達式為： 式中：式中：J為擴散通量；為擴散通量；D為擴散系數(shù)；為擴散系數(shù)；dC/dx為體積濃為體積濃度梯度；負號表示物質(zhì)的擴散流方向與濃度梯度的方向度梯度；負號表示物質(zhì)的擴散流方向與濃度梯度的方向相反。相反。 擴散第一定律所描述的是一種穩(wěn)態(tài)擴散，即擴散物質(zhì)的濃擴散第一定律

8、所描述的是一種穩(wěn)態(tài)擴散，即擴散物質(zhì)的濃度不隨時間而變化。度不隨時間而變化。J=DdC/dx8.38.3 影響擴散的因素影響擴散的因素(1) 溫度。溫度越高，原子的能量越大，越易發(fā)生遷移，擴散系數(shù)越大，擴散越快。 (2) 固溶體類型。不同類型的固溶體，原子擴散機構(gòu)不同，溶質(zhì)原子的擴散激活能不同，間隙固溶體中溶質(zhì)原子的擴散激活能一般都比置換固溶體中的小，所以擴散速度較大。 (3) 晶體結(jié)構(gòu)。總的來說，致密度越小的晶體結(jié)構(gòu)，原子的擴散激活能越小，原子越易遷移，擴散系數(shù)越大、擴散速度越快。某些晶體結(jié)構(gòu)原子的擴散還具有各向異性。 影響擴散的因素影響擴散的因素 (4) 晶體缺陷。 由于金屬外表面、晶界、亞

9、晶界處晶格不同程度的產(chǎn)生畸變，能量較晶內(nèi)高，擴散激活能都較晶內(nèi)小。并且由于以上所述各面擴散激活能依次增高，因而表面擴散最快，因而表面擴散最快，晶界次之，亞晶界更次之，晶內(nèi)最慢。晶界次之，亞晶界更次之，晶內(nèi)最慢。位錯線是晶格畸變的“管道”，原子沿這些“管道”擴散較晶內(nèi)容易，因而在位錯、空位等因而在位錯、空位等缺陷處的原子較完整晶格處的原子擴散速度缺陷處的原子較完整晶格處的原子擴散速度快。快。(5)(5)化學成分。在金屬或合金中加入第二或第化學成分。在金屬或合金中加入第二或第三元素時，有的可以加速擴散，有的則會減三元素時，有的可以加速擴散，有的則會減慢擴散，情況比較復雜，目前尚缺乏完整普慢擴散，情況比較復雜，目前尚缺乏完整普通的理論。經(jīng)對部分合金系統(tǒng)的成分與擴散通的理論。經(jīng)對部分合金系統(tǒng)的成分與擴散系數(shù)間關系的研究，總結(jié)出以下規(guī)律：系數(shù)間關系的研究，總結(jié)出以下規(guī)律： 1) 1) 當加入合金元素使合金的熔點或液相線溫當加入合金元素使合金的熔點或液相線溫度降低時，度降低時，會使合金的擴散系數(shù)增加。會使合金的擴散系數(shù)增加。反之反之則使擴散系數(shù)降低。則使擴散系數(shù)降低。 2) 2) 形成