第6章 固態(tài)金屬擴散

1、 材料科學基礎(chǔ)材料科學基礎(chǔ) Fundamentals of Materials Science 課程編號：課程編號：主講：材料學院：衛(wèi)廣智主講：材料學院：衛(wèi)廣智電話：電話第4章章 固體中原子及分子的運動固體中原子及分子的運動 金屬的固態(tài)相變，變形金屬的回復(fù)和再結(jié)晶，金屬的金屬的固態(tài)相變，變形金屬的回復(fù)和再結(jié)晶，金屬的高溫下變形與氧化，粉末冶金的燒結(jié)都與原子的擴散有關(guān)。高溫下變形與氧化，粉末冶金的燒結(jié)都與原子的擴散有關(guān)。 4.1 表象理論表象理論 4.1.1 菲克第一定律菲克第一定律 擴散第一定律是描述物質(zhì)中原子（分子）傳輸?shù)囊粋€擴散第一定律是描述物質(zhì)中原子（分子）傳輸

2、的一個宏觀的經(jīng)驗規(guī)律，在固體中原子擴散是物質(zhì)傳輸?shù)奈ㄒ环胶暧^的經(jīng)驗規(guī)律，在固體中原子擴散是物質(zhì)傳輸?shù)奈ㄒ环绞?。式?Fick第一定律：在單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的第一定律：在單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的單位截面其物質(zhì)流量（稱擴散通量單位截面其物質(zhì)流量（稱擴散通量J）與該處的濃度梯度）與該處的濃度梯度成正比，其數(shù)學表達式為成正比，其數(shù)學表達式為dxdc-DJ （4-1）J為擴散通量（為擴散通量（g/cm2s），），D為擴散系數(shù)為擴散系數(shù)cm2/s， 為濃為濃度梯度。度梯度。dxdc Fick第一定律表示在濃度不隨時間改變（第一定律表示在濃度不隨時間改變（ =0）的情）的情況下在濃度梯度作用

3、下的擴散，而且擴散流與濃度梯度成況下在濃度梯度作用下的擴散，而且擴散流與濃度梯度成正比。式中的負號表示擴散流方向與濃度梯度方向相反，正比。式中的負號表示擴散流方向與濃度梯度方向相反，即擴散的宏觀流動總是從溶質(zhì)濃度高向濃度低的方向進行。即擴散的宏觀流動總是從溶質(zhì)濃度高向濃度低的方向進行。tc 4.1.2 菲克第二定律菲克第二定律 擴散第一定律適用于穩(wěn)定態(tài)擴散（即擴散第一定律適用于穩(wěn)定態(tài)擴散（即 =0），而實），而實際上，擴散問題多半是非穩(wěn)定態(tài)，（即際上，擴散問題多半是非穩(wěn)定態(tài)，（即 0），擴散第），擴散第二定律就是描述包括時間因素的非穩(wěn)定態(tài)擴散定律。二定律就是描述包括時間因素的非穩(wěn)定態(tài)擴散定律。

4、 dtdcdtdcJ1J2dxx 圖圖4-2表示表示、為垂直為垂直x軸的軸的兩個單位平面，兩者之間的距離兩個單位平面，兩者之間的距離為為dx，J1和和J2分別為擴散時進入分別為擴散時進入和流出兩平面間的擴散通量。若和流出兩平面間的擴散通量。若兩面之間的溶質(zhì)濃度隨時間的變兩面之間的溶質(zhì)濃度隨時間的變化為化為 ，在，在dx范圍的微體積中溶范圍的微體積中溶質(zhì)的積累速率為質(zhì)的積累速率為圖圖4-2 = J1-J2dxtc由公式（由公式（4-1）J1 = xxcD-當當dx為無窮小，則為無窮小，則J2= = J1+dxxxcD-dxxcDxxtc即即dxxcDxxcxcDxxxdxtcxcDxtc （4-

5、4） 如擴散系數(shù)如擴散系數(shù)D是隨濃度變化的常數(shù)，上式可寫成是隨濃度變化的常數(shù)，上式可寫成22xcDtc （4-5）（4-4）式稱）式稱Fick第二擴散定律。第二擴散定律。 擴散第二定律有多種數(shù)學解法，常用的一種解法是誤擴散第二定律有多種數(shù)學解法，常用的一種解法是誤差函數(shù)解。由于邊界條件和起始條件不同，解的表達式稍差函數(shù)解。由于邊界條件和起始條件不同，解的表達式稍有不同，下面主要講應(yīng)用。有不同，下面主要講應(yīng)用。 4.1.3 擴散方程的解擴散方程的解 1一端成分不受擴散影響的擴散體（鋼的滲碳）一端成分不受擴散影響的擴散體（鋼的滲碳） 為了提高鋼件表面硬度和耐磨性和疲勞強度，而心為了提高鋼件表面硬度

6、和耐磨性和疲勞強度，而心部要求有較高的韌性，常用低碳鋼進行滲碳，零件可視為部要求有較高的韌性，常用低碳鋼進行滲碳，零件可視為半無限長棒。半無限長棒。滲碳的初始條件：滲碳的初始條件：t=0，x0，C=C0，為鋼的原始含碳，為鋼的原始含碳量。量。邊界條件：邊界條件：t0，x=0，C=CS， x=，C=C0， 公式公式4-4的解為：的解為： 0CCCCSxSDtxerf2CX為離表面為離表面x處，于某一滲碳溫度（因而可確定的處，于某一滲碳溫度（因而可確定的D）下，）下，經(jīng)歷時間經(jīng)歷時間t后的碳濃度。后的碳濃度。 為誤差函數(shù)，當為誤差函數(shù)，當 確定后確定后可查圖或查表求出?？刹閳D或查表求出。erfDt

7、x2 舉例：（見舉例：（見124頁）頁） 滲層深度和擴散時間有以下關(guān)系：滲層深度和擴散時間有以下關(guān)系： DtKx 4.1.4 置換型固溶體中的擴散（互擴散和柯肯達爾效置換型固溶體中的擴散（互擴散和柯肯達爾效應(yīng)）應(yīng)） 將金屬將金屬A和金屬和金屬B對焊起來，組成一對擴散偶。對焊起來，組成一對擴散偶。在高溫下，在高溫下，A原子向原子向B金屬中擴散，金屬中擴散，B原子向原子向A金屬中擴金屬中擴散，金屬散，金屬A、B各視為無限長棒。因此，其邊界條件是：各視為無限長棒。因此，其邊界條件是：x=，CA= CB =0，這時，這時，F(xiàn)ick第二定律的解為：第二定律的解為：mmxCCCC1Dtxerf2式中式中C

8、1為材料為材料中中A原子的濃度，原子的濃度， Cm為為A原子在材料原子在材料和和的平均濃度，的平均濃度，Cx為材料為材料中對焊界面中對焊界面x處，經(jīng)歷時間處，經(jīng)歷時間t的的A原子濃度，原子濃度， D是是A原子在材料原子在材料中的擴散系數(shù)。以上符號只是對中的擴散系數(shù)。以上符號只是對A原原子而言，子而言，B原子在材料原子在材料中的濃度分布可用同樣方法求之。中的濃度分布可用同樣方法求之。 界面兩側(cè)的兩種原子，在互擴散到對方基體中，當界面兩側(cè)的兩種原子，在互擴散到對方基體中，當其擴散速率不等時，會發(fā)生原始界面的移動（向擴散速率其擴散速率不等時，會發(fā)生原始界面的移動（向擴散速率快的一方移動），這一現(xiàn)象叫

9、柯肯達爾效應(yīng)?？斓囊环揭苿樱@一現(xiàn)象叫柯肯達爾效應(yīng)。 柯肯達爾效應(yīng)說明置換式溶質(zhì)原子的擴散是按空位柯肯達爾效應(yīng)說明置換式溶質(zhì)原子的擴散是按空位機制進行。機制進行。 4.1.5擴散系數(shù)擴散系數(shù)D與濃度相關(guān)時的求解與濃度相關(guān)時的求解 4.2 擴散的熱力學分析擴散的熱力學分析 菲克第一定律描述了物質(zhì)從高濃度向低濃度擴散的現(xiàn)菲克第一定律描述了物質(zhì)從高濃度向低濃度擴散的現(xiàn)象，擴散的結(jié)果導(dǎo)致濃度的減小，使成分趨于均勻。但并象，擴散的結(jié)果導(dǎo)致濃度的減小，使成分趨于均勻。但并非所有的擴散過程都是如此，非所有的擴散過程都是如此， 物質(zhì)也可以從低濃度區(qū)向高濃度區(qū)擴散，擴散的結(jié)果提高物質(zhì)也可以從低濃度區(qū)向高濃度區(qū)

10、擴散，擴散的結(jié)果提高了濃度梯度。這種擴散稱為了濃度梯度。這種擴散稱為“上坡擴散上坡擴散”。 根據(jù)熱力學，固溶體平衡條件應(yīng)該是給定組元在各相根據(jù)熱力學，固溶體平衡條件應(yīng)該是給定組元在各相中的化學位相等和同一相中各點的化學位相等，那么化學中的化學位相等和同一相中各點的化學位相等，那么化學位位屬于位能，可以寫出：屬于位能，可以寫出： 則則 ，式中，式中F是是由于存在化學位梯度而具備的推動原子擴散的化學力，它由于存在化學位梯度而具備的推動原子擴散的化學力，它指向化學位下降的方向。這就是說，原子擴散的推動力歸指向化學位下降的方向。這就是說，原子擴散的推動力歸根結(jié)底是化學位梯度。原子擴散的驅(qū)動力稱為化學力

11、或為根結(jié)底是化學位梯度。原子擴散的驅(qū)動力稱為化學力或為化學位梯度。表示為：化學位梯度。表示為： xFxFxuF式中，負號表示原子移動方向與化學位梯度方向相反。式中，負號表示原子移動方向與化學位梯度方向相反。 引起上坡擴散還可能有以下情況引起上坡擴散還可能有以下情況 1、彈性應(yīng)力的作用、彈性應(yīng)力的作用 2、晶界的內(nèi)吸附、晶界的內(nèi)吸附 大的電場或溫度場也促使晶體中原子按一定方向擴大的電場或溫度場也促使晶體中原子按一定方向擴散，造成擴散。散，造成擴散。 3、原子的不均勻性、原子的不均勻性 4.3 擴散的原子理論擴散的原子理論 4.3.1 擴散機制擴散機制 1、交換機制、交換機制 目前，沒有實驗結(jié)果支

12、持這種交換機制。目前，沒有實驗結(jié)果支持這種交換機制。 2、間隙機制、間隙機制 間隙固溶體中，原子從一個間隙跳到另間隙固溶體中，原子從一個間隙跳到另一個間隙。間隙原子從一個間隙。間隙原子從時，必須推開時，必須推開、原子，從而使晶格局部發(fā)生瞬時畸變，原子，從而使晶格局部發(fā)生瞬時畸變，這部分應(yīng)變能就構(gòu)成間隙原子跳動的阻力，這部分應(yīng)變能就構(gòu)成間隙原子跳動的阻力，從而間隙原子跳動時所必須克服。原子所克從而間隙原子跳動時所必須克服。原子所克服能壘實現(xiàn)躍遷的能量稱為擴散激活能。服能壘實現(xiàn)躍遷的能量稱為擴散激活能。 43 21 對于間隙擴散來說，擴散激活能就是溶質(zhì)原子發(fā)生跳對于間隙擴散來說，擴散激活能就是溶質(zhì)

13、原子發(fā)生跳動時所需的額外內(nèi)能動時所需的額外內(nèi)能E。原子中只有。原子中只有GG2的原子才可的原子才可跳躍出進行擴散。跳躍出進行擴散。 原子擴散系數(shù)：原子擴散系數(shù)： kTEDDexp0 D0擴散系數(shù)，擴散系數(shù)， E擴散激活能擴散激活能 k，波茲曼常數(shù)，波茲曼常數(shù)，1.3810-23J/K溶質(zhì)原子半徑越大，阻力越大，則進行擴散所需溶質(zhì)原子半徑越大，阻力越大，則進行擴散所需能量也越高，因此，常見于小尺寸的原子，如能量也越高，因此，常見于小尺寸的原子，如C、O、N和和H。3、空位機制、空位機制 在純金屬或換固溶體中，各組元的原子半徑都比間在純金屬或換固溶體中，各組元的原子半徑都比間隙半徑大得多，很難進行

14、間隙擴散，這時要是通過原子遷隙半徑大得多，很難進行間隙擴散，這時要是通過原子遷移到鄰近的空位，即原子與空位交換位置來實現(xiàn)擴散。移到鄰近的空位，即原子與空位交換位置來實現(xiàn)擴散。 實現(xiàn)空位擴散應(yīng)具備的兩項條件：實現(xiàn)空位擴散應(yīng)具備的兩項條件： 1）擴散原子附近存在空位）擴散原子附近存在空位 2）鄰近空位的原子具有可以越過能壘的自由焓。）鄰近空位的原子具有可以越過能壘的自由焓?？瘴粩U散中，原子即需要跳動激活能，還需要增加空位空位擴散中，原子即需要跳動激活能，還需要增加空位形成能，因此空位擴散激活能包括空位形成能和跳動激活形成能，因此空位擴散激活能包括空位形成能和跳動激活能兩部分。能兩部分。其擴散系數(shù)：

15、其擴散系數(shù)： KTEEDDVexp0 那么，隨溫度升高，其空位濃度越大，原子那么，隨溫度升高，其空位濃度越大，原子跳入空位所需要的能量越小。跳入空位所需要的能量越小。 這種擴散機制主要見于置換固溶體中溶質(zhì)原子這種擴散機制主要見于置換固溶體中溶質(zhì)原子的擴散，同時也常見于自擴散。的擴散，同時也常見于自擴散。 4.3.2 原子跳躍和擴散系數(shù)原子跳躍和擴散系數(shù) 晶體中的原子以很高的頻率在平衡位置上振動，晶體中的原子以很高的頻率在平衡位置上振動，原子振動時會相互撞擊，發(fā)生能量不斷地從一個原子振動時會相互撞擊，發(fā)生能量不斷地從一個原子轉(zhuǎn)移到另一個原子。原子轉(zhuǎn)移到另一個原子。 設(shè)有一塊含有設(shè)有一塊含有n個原

16、子的晶體，在極短的時間個原子的晶體，在極短的時間間隔間隔dt內(nèi)共有內(nèi)共有m次原子跳動，則平均每個原子在單次原子跳動，則平均每個原子在單位時間內(nèi)跳動的次數(shù)為位時間內(nèi)跳動的次數(shù)為ndtm12d圖4-13 叫作跳動頻率。叫作跳動頻率。圖圖4-13示意畫出間隙固溶示意畫出間隙固溶體中兩個相鄰的平行晶面，體中兩個相鄰的平行晶面，白點代表溶劑原子，黑點代白點代表溶劑原子，黑點代表溶質(zhì)原子，這兩個晶面都表溶質(zhì)原子，這兩個晶面都與紙面（黑板）垂直。假設(shè)與紙面（黑板）垂直。假設(shè)晶面晶面和和為單位面積，分為單位面積，分別有別有n1和和n2個間隙原子，并個間隙原子，并假設(shè)給定溫度下間隙原子跳假設(shè)給定溫度下間隙原子跳

17、動頻率為動頻率為，由晶面，由晶面跳到跳到晶面或晶面晶面或晶面跳到跳到晶面的晶面的幾率均為幾率均為P，則在時間間隔，則在時間間隔t內(nèi)單位面積上由晶面內(nèi)單位面積上由晶面跳到跳到晶面或晶面晶面或晶面跳到跳到晶面晶面的溶質(zhì)原子數(shù)分別為的溶質(zhì)原子數(shù)分別為t121PnZt212PnZ 如果如果n1n2在晶面在晶面的單位面積上得到的溶質(zhì)原子凈值的單位面積上得到的溶質(zhì)原子凈值為為t211221PnnZZ即即 ArNAZZ)(1221tJ)(21ArNtAPnn式中式中 ，即為擴散通量，即為擴散通量， 為阿伏加德羅常為阿伏加德羅常數(shù)，數(shù)， 為相對原子質(zhì)量。為相對原子質(zhì)量。設(shè)晶面設(shè)晶面、之間的距離為之間的距離為d

18、，可得質(zhì)量濃度分別為；，可得質(zhì)量濃度分別為；ArNAPnn)(J21ANrAdNAnAr11dNAnAr22而晶面而晶面的質(zhì)量濃度又可寫成的質(zhì)量濃度又可寫成ddxd12 （4.34）由（由（4.33）和（）和（4.34）可得）可得ArNAnnd12121ddxd12對比上兩式，可得對比上兩式，可得rAANddxd221nndxdPdNAPnnJAr212)(與非克第一定律比較，可得與非克第一定律比較，可得 可見擴散系數(shù)可見擴散系數(shù)D與與d2以及以及P成正比，也與成正比，也與成正比，成正比，d和和P決定于固溶體的結(jié)構(gòu)，而決定于固溶體的結(jié)構(gòu)，而除與物質(zhì)本身有關(guān)還與溫除與物質(zhì)本身有關(guān)還與溫度有密切關(guān)

19、系。度有密切關(guān)系。2PDd設(shè)原子的振動頻率為設(shè)原子的振動頻率為，溶質(zhì)原子最鄰近的間隙位置數(shù)為，溶質(zhì)原子最鄰近的間隙位置數(shù)為Z，則，則應(yīng)與應(yīng)與、Z以及具有跳動條件的原子所占百分數(shù)以及具有跳動條件的原子所占百分數(shù) 成正比。成正比。ktGeZG=H-TSE- TSkSeZktUeZktUkS2eZePdD令 )exp(20kSZPdD則 )exp()exp(00kTQDkUDD 式中式中 稱為擴散常數(shù)；稱為擴散常數(shù)； 是間隙擴散時溶質(zhì)原子跳躍是間隙擴散時溶質(zhì)原子跳躍所需額外的熱力學內(nèi)能，該遷移能等于原子的擴散激活所需額外的熱力學內(nèi)能，該遷移能等于原子的擴散激活能能 。0DUQ 4.4 擴散激活能擴散

20、激活能 原子所克服能壘實現(xiàn)躍遷的能量稱為擴散激活能。原子所克服能壘實現(xiàn)躍遷的能量稱為擴散激活能。當晶體中的原子以不同擴散機制擴散時，所需擴散激活能當晶體中的原子以不同擴散機制擴散時，所需擴散激活能是不同的。在間隙擴散機制中，是不同的。在間隙擴散機制中， ；在空位擴散機制在空位擴散機制中，中， UQVUUQ除此之外，還有晶界擴散、表面擴散、位錯擴散，它們的除此之外，還有晶界擴散、表面擴散、位錯擴散，它們的擴散結(jié)激活能是各不相同的，因此，求出某種條件的擴散擴散結(jié)激活能是各不相同的，因此，求出某種條件的擴散激活能，對于了解擴散機制是非常重要的，可通過實驗求激活能，對于了解擴散機制是非常重要的，可通過

21、實驗求解擴散激活能。解擴散激活能。擴散系數(shù)的表達式：擴散系數(shù)的表達式： RTQDDexp0將上式兩邊取對數(shù)，則有；將上式兩邊取對數(shù)，則有； RTQDD0lnln 由實驗值確定由實驗值確定 與與 的關(guān)系，如果兩者呈線性關(guān)系，的關(guān)系，如果兩者呈線性關(guān)系，則圖中的直線斜率為則圖中的直線斜率為 ，該外推至與縱坐標相交的截，該外推至與縱坐標相交的截距則為距則為 值。值。DlnT/1RQ/0lnD一般認為一般認為 和和 的大小和溫度無關(guān)，只與擴散機制和材的大小和溫度無關(guān)，只與擴散機制和材料相關(guān)，這種情況下的料相關(guān)，這種情況下的 與與 的關(guān)系為一直線，否則，的關(guān)系為一直線，否則，得不到直線。得不到直線。0D

22、QDlnT/1 顯然，當原子在高溫和低溫中以兩種不同擴散機制進顯然，當原子在高溫和低溫中以兩種不同擴散機制進行時，由于擴散激活能不同，將在行時，由于擴散激活能不同，將在 與與 圖中出現(xiàn)兩圖中出現(xiàn)兩段不同斜率的折線。段不同斜率的折線。DlnT/1 4.5 無規(guī)則行走與擴散距離無規(guī)則行走與擴散距離 擴散原子的運動不是直線運動，原子行走的距離與時擴散原子的運動不是直線運動，原子行走的距離與時間的平方根成正比，原子可向各個方向隨機地跳躍，是一間的平方根成正比，原子可向各個方向隨機地跳躍，是一種無規(guī)則行走，即種無規(guī)則行走，即 22nrRn式中式中n為跳躍次數(shù)，為跳躍次數(shù)， 為為n次跳躍的平均值，次跳躍的

23、平均值，r為一次跳躍。為一次跳躍。上式又可寫成上式又可寫成rnRn22nR上式可見，原子的平均遷移值與跳躍次數(shù)的平方根成正比。上式可見，原子的平均遷移值與跳躍次數(shù)的平方根成正比。由于由于 ，如果考慮三維跳躍，如果考慮三維跳躍， P=1/6，d即為原子即為原子跳躍的步長跳躍的步長r，跳躍頻率，跳躍頻率 ，代入（，代入（4.47）式，得）式，得2PdDtn/DtDnRn662或或 （4.50）上式表明，擴散距離上式表明，擴散距離 與擴散時間與擴散時間t的平方根成正比。的平方根成正比。DtRn45. 222nR 4.6 影響擴散的因素影響擴散的因素 1.溫度的影響溫度的影響 擴散系數(shù)：擴散系數(shù)： 溫

24、度越高，擴散系數(shù)越大。溫度越高，擴散系數(shù)越大。RTQDDexp0 2.晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) C在在-Fe約為約為-Fe中中240倍（倍（912時）晶體結(jié)構(gòu)的時）晶體結(jié)構(gòu)的改變，使擴散系數(shù)也隨之發(fā)生較大的變化。同一晶格中，改變，使擴散系數(shù)也隨之發(fā)生較大的變化。同一晶格中，由晶體各向異性影響也較大。晶體結(jié)構(gòu)對稱性愈低，則擴由晶體各向異性影響也較大。晶體結(jié)構(gòu)對稱性愈低，則擴散的各向異性越顯著。散的各向異性越顯著。 3.固溶體類型固溶體類型 不同固溶體類型，原子的擴散和機制不同。擴散不同固溶體類型，原子的擴散和機制不同。擴散激活能不同，從而產(chǎn)生擴散速度的差別。激活能不同，從而產(chǎn)生擴散速度的差別。一般間隙固

25、溶體擴散速度（擴散激活能?。┮戎脫Q固一般間隙固溶體擴散速度（擴散激活能?。┮戎脫Q固溶體要大。溶體要大。 4.固溶體濃度對擴散的影響。固溶體濃度對擴散的影響。 溶質(zhì)濃度越大，其擴散系數(shù)越大。溶質(zhì)濃度越大，其擴散系數(shù)越大。 所以，滲碳一般選擇所以，滲碳一般選擇-Fe (因為因為C在其中最大含量在其中最大含量為為為為2.11) 5.晶體缺陷的影響晶體缺陷的影響 1）界面對擴散）界面對擴散 D表面表面D晶界晶界D晶內(nèi)晶內(nèi) 由于晶體表面及晶界原子排列的規(guī)律性較差，點陣畸由于晶體表面及晶界原子排列的規(guī)律性較差，點陣畸變較大，能量較高，因而原子擴散的激活能較低。變較大，能量較高，因而原子擴散的激活能較低

26、。 2）位錯對擴散）位錯對擴散 位錯密度增加會使晶體中擴散速度加位錯密度增加會使晶體中擴散速度加快?？?。 3）空位對擴散）空位對擴散 空位能顯著地提高置換式固溶原子的擴散速度。空位能顯著地提高置換式固溶原子的擴散速度。 6.化學成分對擴散的影響化學成分對擴散的影響 合金系統(tǒng)的互擴散系數(shù)是隨合金成分而改變。合金系統(tǒng)的互擴散系數(shù)是隨合金成分而改變。 若加入的新組元降低原組元的熔點，則增大，反之則若加入的新組元降低原組元的熔點，則增大，反之則降低。降低。少量第三組元對第二組元擴散亦有影響。少量第三組元對第二組元擴散亦有影響。 7應(yīng)力的作用應(yīng)力的作用 4.7 反應(yīng)擴散反應(yīng)擴散 當某種元素通過擴散，自金

27、屬表面向內(nèi)部滲透時，當某種元素通過擴散，自金屬表面向內(nèi)部滲透時，若該擴散元素的含量超過基體金屬的溶解度，則隨著擴散若該擴散元素的含量超過基體金屬的溶解度，則隨著擴散的進行會在金屬表層形成中間相（也可能形成另一種固溶的進行會在金屬表層形成中間相（也可能形成另一種固溶體），這種通過擴散形成新相的現(xiàn)象稱為反應(yīng)擴散或相變體），這種通過擴散形成新相的現(xiàn)象稱為反應(yīng)擴散或相變擴散。由反應(yīng)擴散所形成的新相可參考平衡圖進行分析。擴散。由反應(yīng)擴散所形成的新相可參考平衡圖進行分析。見見141頁。頁。 在二元合金經(jīng)反應(yīng)擴散的深層組織中不存在兩相混在二元合金經(jīng)反應(yīng)擴散的深層組織中不存在兩相混合區(qū)，而且在相界面上的濃度是

28、突變的，它對應(yīng)于該相在合區(qū)，而且在相界面上的濃度是突變的，它對應(yīng)于該相在一定溫度下的極限溶解度。不存在兩相混合區(qū)的原因可用一定溫度下的極限溶解度。不存在兩相混合區(qū)的原因可用相的熱力學平衡條件來解釋；如果滲層組織中出現(xiàn)兩相共相的熱力學平衡條件來解釋；如果滲層組織中出現(xiàn)兩相共存區(qū)，則兩平衡相的化學勢存區(qū)，則兩平衡相的化學勢 必然相等，即化學勢梯度必然相等，即化學勢梯度 ，這段區(qū)域中就沒有擴，這段區(qū)域中就沒有擴散驅(qū)動力，擴散不能進行。同理，三元系中深層的各部分散驅(qū)動力，擴散不能進行。同理，三元系中深層的各部分都不能出現(xiàn)三相共存區(qū)，但可以有兩相區(qū)。都不能出現(xiàn)三相共存區(qū)，但可以有兩相區(qū)。i0 xi 4.

29、8 離子晶體中的擴散離子晶體中的擴散 在離子晶體中，擴散離子只能進入具有同樣電荷在離子晶體中，擴散離子只能進入具有同樣電荷的位置，即不能進入相鄰異類離子的位置。的位置，即不能進入相鄰異類離子的位置。 離子擴散只能依靠空位來進行，而且空位的分布也離子擴散只能依靠空位來進行，而且空位的分布也有其特殊性。有其特殊性。 應(yīng)用金屬平衡空位摩爾分數(shù)的計算方法，可對離子應(yīng)用金屬平衡空位摩爾分數(shù)的計算方法，可對離子晶體的陽離子平衡空位摩爾分數(shù)晶體的陽離子平衡空位摩爾分數(shù) 和陰離子平衡空位摩和陰離子平衡空位摩爾分數(shù)爾分數(shù) 作出同樣的計算。在平衡時，作出同樣的計算。在平衡時， VcxVaxRTGGAxxVcVaV

30、cVaexp)(RTGASexp式中，式中， 為形成一對肖脫基型空位的形成能；為形成一對肖脫基型空位的形成能；A為振動熵為振動熵決定的系數(shù)，決定的系數(shù)， A=1。SG 4.9 高分子的分子運動高分子的分子運動 4.9.1分子鏈運動的起因及其柔順性分子鏈運動的起因及其柔順性 高分子的主鏈很長，通常是卷曲的，而不是伸直的。高分子的主鏈很長，通常是卷曲的，而不是伸直的。在外界的影響下，分子鏈從卷曲變?yōu)樯熘笔峭ㄟ^分子運動在外界的影響下，分子鏈從卷曲變?yōu)樯熘笔峭ㄟ^分子運動來實現(xiàn)的，分子鏈的運動起因于主鏈中單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)。來實現(xiàn)的，分子鏈的運動起因于主鏈中單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)。用鏈段長度的大小可表征高分子鏈的可動性，即柔順性，用鏈段長度的大小可表征高分子鏈的可動性，即柔順性，如果鏈段的長度為如果鏈段的長度為 ，鏈節(jié)的長度為，鏈節(jié)的長度為 ，則有，則有l(wèi) kTllpexppl 又稱為持續(xù)長度，又稱為持續(xù)長度， 為不同構(gòu)象的能壘差。當為不同構(gòu)象的能壘差。當 時，時， ，即鏈段的長度等于鏈節(jié)的長度，此時，即鏈段的長度等于鏈節(jié)的長度，此時高分子鏈是最柔軟的鏈；當