擴(kuò)散的微觀機(jī)制和擴(kuò)散路徑

1、擴(kuò)散的微觀機(jī)制和擴(kuò)散路徑7/24/202217/24/20222多晶體金屬中擴(kuò)散路徑1.表面擴(kuò)散：擴(kuò)散物質(zhì)沿金屬表面發(fā)生遷移2.晶界擴(kuò)散：擴(kuò)散物質(zhì)沿晶界發(fā)生遷移3.位錯擴(kuò)散：擴(kuò)散物質(zhì)沿位錯線發(fā)生遷移4.體擴(kuò)散：擴(kuò)散物質(zhì)在晶粒點(diǎn)陣內(nèi)部發(fā)生遷移體擴(kuò)散是固態(tài)金屬中最基本的擴(kuò)散途徑提出各種機(jī)制來說明擴(kuò)散的基本過程7/24/2022劉志勇 3晶體點(diǎn)陣中的各種擴(kuò)散途徑7/24/2022劉志勇 4擴(kuò)散機(jī)制均勻固溶體中三種最基本的擴(kuò)散機(jī)制1.交換機(jī)制2.間隙機(jī)制3.空位機(jī)制7/24/2022劉志勇 57.2.1 擴(kuò)散的交換機(jī)制原子的擴(kuò)散通過相鄰兩原子直接交換位置實(shí)現(xiàn)引用該機(jī)制解釋了金在鍺中的擴(kuò)散還被發(fā)展用來描

2、述PbCd和PbHg等金屬系統(tǒng)中的擴(kuò)散替代式金原子被激發(fā)進(jìn)入間隙位置，和空位形成填隙原子空位對，接著鍺原子進(jìn)入空位，金原子進(jìn)入鍺原子留下的空位中，交換過程完成7/24/2022劉志勇 6交換機(jī)制很難出現(xiàn)擴(kuò)散的交換機(jī)制1.原子幾乎是剛性球體，一對原子交換位置時，相鄰原子必須讓出適當(dāng)?shù)目臻g，勢必引起附近的晶格發(fā)生強(qiáng)烈的畸變，需要的擴(kuò)散激活能很大2. 如果是不同類原子交換，兩種不同原子的擴(kuò)散系數(shù)必須相等7/24/2022劉志勇 77.2.2 擴(kuò)散的間隙機(jī)制原子在點(diǎn)陣的間隙位置間跳躍而導(dǎo)致的擴(kuò)散間隙機(jī)制發(fā)生在間隙式固溶體中尺寸較小的C、N、H、B、O等溶質(zhì)原子在固溶體中從一個間隙位置跳到其鄰近的另一個

3、間隙位置時發(fā)生間隙擴(kuò)散7/24/2022劉志勇 8間隙擴(kuò)散時間隙原子躍遷所需能量示意圖間隙原子在面心立方固溶體的（100）面上，從一個八面體間隙位置1跳躍到鄰近的一個八面體間隙位置2中（a），其中需要克服一個勢壘G2G1G只有能量大于G2的間隙原子才能進(jìn)行躍遷（b）7/24/2022劉志勇 9根據(jù)Maxwell-Boltzman分布定律，在N個間隙原子中，在溫度T時，自由能大于G2的數(shù)目n2為間隙擴(kuò)散自由能等于G1或大于G1小于G2的間隙原子數(shù)為 n2=Nexp(-G2/RT)n1=Nexp(-G1/RT)由于G1是處于平衡位置的最低自由能狀態(tài)，所以間隙原子跳躍幾率PP= n2/n1=exp-

4、(G2-G1)/RT =exp(-G/RT）（735）（736）（737）7/24/2022劉志勇 10間隙擴(kuò)散G=G2-G1 =H-TS=E-TS，原子躍遷幾率P=e(-G/RT)，所以單位時間內(nèi)每個原子躍遷的頻率f為如果擴(kuò)散原子在三維空間內(nèi)躍遷，每跳躍一步的距離為dx，在推導(dǎo)菲克第一定律時，令將式2代入式3，得D為間隙固溶體中溶質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)，D0為擴(kuò)散常數(shù)D=(1/6)(dx)2Zexp(S/R）exp(-E/RT）= D0exp(-E/RT）（4）D=(1/6) f（dx）2（3）f=PZ=Zexp(S/R）exp(-E/RT）Z為配位數(shù)，為振動頻率（2） P= exp(S/R） e

5、xp(-E/RT）S:熵變，E為擴(kuò)散激活能（1）7/24/2022劉志勇 117.2.3 空位機(jī)制擴(kuò)散空位總會存在，存在空位使熵增加一個原子在空位旁邊，它就可能跳進(jìn)空位中，這個原子原來的位置變成空位，另外的鄰近原子占據(jù)新形成的空位，使空位繼續(xù)運(yùn)動，這就是空位機(jī)制擴(kuò)散溶劑原子與溶質(zhì)原子半徑相差不大，很難進(jìn)行間隙擴(kuò)散，主要依靠原子和空位的交換位置進(jìn)行擴(kuò)散在置換式固溶體中7/24/2022劉志勇 12擴(kuò)散需要能量擴(kuò)散激活能Substitutional(Vacancy)InterstitialEnergyQv Qi7/24/2022劉志勇 13Activation energy of diffusio

6、nQv, lower Q indicates easy diffusion 2.diffusion couple3.diffusion data for selected materials （See Table）Diffusion couple Q (cal /mol )D0 (cm2/s )C in FCC iron 329000.23C in BCC iron209000.011N in FCC iron346000.0034N in BCC iron183000.0047H in FCC iron103000.0063H in BCC iron 36000.00127/24/2022劉

7、志勇 14不同溫度下存在不同的空位平衡濃度CV，借助空位擴(kuò)散的合金，溫度越高越有利于擴(kuò)散空位機(jī)制擴(kuò)散在220的銅，每1cm3中只有2103個空位，而接近熔點(diǎn)的銅（1000），每1cm3中就有51018個空位空位平衡濃度CV為若晶體中原子的配位數(shù)為Z，在空位濃度CV的情況下，每個原子在單位時間內(nèi)躍遷的頻率為 Cv=exp(Sv/k）exp(-Ev/kT）（5） f=Z P C v式中P為原子躍遷入空位的幾率（6）7/24/2022劉志勇 15置換原子躍入空位引起的體系自由能變化為：G =E-TS空位機(jī)制擴(kuò)散由（8）式可知，置換固溶體中空位擴(kuò)散激活能Q包括空位形成能EV和原子躍遷激活能E兩部分，所

8、以置換型溶質(zhì)的擴(kuò)散激活能比間隙式溶質(zhì)的大得多可以躍入空位的原子的幾率為 P= exp(S/k） exp(-E/kT）將式（5）和（6）代入式（4），得（7） D=(1/6)ZPCvd2 =(1/6)Zd2exp(S+Sv)/kexp-(E+ Ev)/kT） =D0 exp-(E+Ev)/kT）= D0 exp(-Q/kT）（8）7/24/2022劉志勇 16某些擴(kuò)散系數(shù)D0和Q的近似值擴(kuò) 散 元 素基 體 金 屬D0 /(10-5m2/s)Q / (103J/mol)C-Fe2.0140C-Fe0.2084N-Fe0.33144N-Fe0.4675Fe-Fe19239Fe-Fe1.9270Ni

9、-Fe4.4283Mn-Fe5.7277CuAl0.84136ZnCu2.1171AgAg（晶內(nèi)擴(kuò)散）7.2190AgAg（晶界擴(kuò)散）1.4907/24/2022劉志勇 17給定的物質(zhì)原子在該物質(zhì)點(diǎn)陣中的遷移稱為自擴(kuò)散自擴(kuò)散自擴(kuò)散實(shí)質(zhì)就是空位在點(diǎn)陣中遷移的結(jié)果如果點(diǎn)陣中有化學(xué)性能相近的兩種原子，則兩種原子躍入空位中的難易程度幾乎一樣，在這種情況下，空位運(yùn)動將同等地使這兩種原子發(fā)生擴(kuò)散如果某一種原子跳進(jìn)空位比另一種原子快得多，則空位的存在只能使跳進(jìn)空位快的原子擴(kuò)散，而跳進(jìn)空位慢的原子差不多固定7/24/2022劉志勇 187.2.4 其它擴(kuò)散機(jī)制其它還有環(huán)形換位機(jī)制和擠列（Crowdion）機(jī)制

10、環(huán)形換位機(jī)制認(rèn)為在同一平面上距離相等的幾個原子可以同時輪換位置來進(jìn)行擴(kuò)散用此機(jī)制計(jì)算的擴(kuò)散激活能比較接近實(shí)驗(yàn)值，但是，該機(jī)制不能解釋置換式固溶體合金進(jìn)行互擴(kuò)散時出現(xiàn)的Kirken-Dall效應(yīng)，與Kirken-Dall實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符7/24/2022劉志勇 19 其它擴(kuò)散機(jī)制其它還有環(huán)形換位機(jī)制和擠列（Crowdion）機(jī)制擠列機(jī)制是設(shè)想體心立方金屬在方向的（n-1）個原子位置上被擠入了n個原子，形成一個集體，此集體被命名為“擠列”，“擠列”作為一個整體沿對角線運(yùn)動就構(gòu)成擴(kuò)散堿金屬K、Na等原子的壓縮性較大，出現(xiàn)這種擴(kuò)散機(jī)制是可能的，對于堿金屬利用此機(jī)制計(jì)算出來的激活能與實(shí)驗(yàn)值比較接近7/24/

11、2022劉志勇 20銅自擴(kuò)散激活能計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的比較 擴(kuò) 散 機(jī) 制缺陷形成能EVKJmol-1缺陷移動能EmKJmol-1擴(kuò)散激活能QKJmol-1兩原子交換機(jī)制10051005四原子環(huán)形換位機(jī)制380380空位機(jī)制126.696.422187.357.814696.496.4193間隙機(jī)制87348.192719.3898481.419.3501實(shí)驗(yàn)值1937/24/2022劉志勇 21在間隙式固溶體中則為間隙式擴(kuò)散機(jī)制擴(kuò)散機(jī)制總結(jié)在置換式固溶體中起主導(dǎo)作用的是空位擴(kuò)散機(jī)制，空位機(jī)制所需激活能較?。ㄒ姳恚c實(shí)驗(yàn)值較接近，表明實(shí)現(xiàn)這種擴(kuò)散機(jī)制的幾率較大7/24/2022劉志勇 227.2

12、.5 擴(kuò)散系數(shù)3.2.5.1 擴(kuò)散系數(shù)的測定方法擴(kuò)散系數(shù)D是決定擴(kuò)散過程的重要物理量自擴(kuò)散系數(shù)可以由示蹤劑法、動力法等方法測定化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)可以由容量法、電導(dǎo)法、固態(tài)電池電勢法等方法測定其它的各種擴(kuò)散系數(shù)均可以由特定條件下的理論模型與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算而得到7/24/2022劉志勇 23如將放射性的Au*涂覆在兩根金棒之間，然后將它們加熱到920保溫100h示蹤劑法測定自擴(kuò)散系數(shù)采用放射性或穩(wěn)定的同位素作為示蹤原子來測定自擴(kuò)散系數(shù)把金屬或非金屬示蹤原子涂覆在晶體表面，加熱、保溫使之?dāng)U散，然后確定在晶體中示蹤原子的濃度分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7/24/2022劉志勇 24示蹤劑法測定自擴(kuò)散系數(shù)示蹤劑A

13、u*的lnCx2關(guān)系曲線 (晶格擴(kuò)散)示蹤原子的濃度分布為C=Kexp-x2/(4D*t)或lnC= -x2/(4D*t)+常數(shù)作出lnc與x2的關(guān)系曲線（9）7/24/2022劉志勇 25lnCx2關(guān)系曲線斜率k為示蹤劑法測定自擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散時間t為100h，代入式（9），可求得Au的自擴(kuò)散系數(shù)D*Au lnc與x2為直線關(guān)系時，晶體中質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散機(jī)理為晶格擴(kuò)散DL和Db分別為晶格擴(kuò)散系數(shù)與晶界擴(kuò)散系數(shù) k=(lnC)/(x2)=(4D*t)-1（10） D*Au=21013（m2/s）（11）如果為晶界擴(kuò)散時，lnc與x為直線關(guān)系，表達(dá)式為lnC2/(DLt ) (Db/DL )1/2x+常數(shù)

14、（12）7/24/2022劉志勇 26要測定氧化物等材料中的非金屬原子的自擴(kuò)散系數(shù)，可采用氣氛法自擴(kuò)散系數(shù)測定將材料置于含有示蹤原子的非金屬原子氣氛中，加熱擴(kuò)散，由于氣體數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于試樣質(zhì)量，示蹤原子擴(kuò)散時可以認(rèn)為示蹤劑在試樣表面的濃度不變。于是擴(kuò)散的示蹤原子濃度分布如式（13）測定的數(shù)據(jù)對研究材料的傳質(zhì)有重要意義C=C0 1erf(x/(4Dt)（13）7/24/2022劉志勇 27自擴(kuò)散系數(shù)測定考慮溫度和氣氛壓力對自擴(kuò)散系數(shù)影響，加壓時自擴(kuò)散系數(shù)D*p與不加壓時的自擴(kuò)散系數(shù)D*關(guān)系為實(shí)驗(yàn)表明Pb在多晶體Pb中的擴(kuò)散系數(shù)隨壓力P的增大而下降 Dp*= D*exp(PVf+PVm)/(RT)P

15、：所加壓力；Vf：每摩爾缺陷形成時所增加的晶體體積；Vm：每摩爾缺陷位移時所增加的晶體（14）7/24/2022劉志勇 28可以通過試樣由一個平衡狀態(tài)到另一個平衡狀態(tài)發(fā)生質(zhì)量的變化或電導(dǎo)率變化的動力學(xué)數(shù)據(jù)來確定化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)D其它擴(kuò)散系數(shù)測定方法化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)D反映在晶體中存在濃度梯度時質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散特征其它各類擴(kuò)散系數(shù)均可以由相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)與理論模型算出7/24/2022劉志勇 297.2.6 影響擴(kuò)散系數(shù)的因素1.溫度的影響擴(kuò)散系數(shù)強(qiáng)烈地依賴于溫度，與溫度的關(guān)系可用Arrhenius公式表示D0和Q可隨合金成分以及擴(kuò)散機(jī)制的不同而變化由式可見，D與T成指數(shù)關(guān)系，隨溫度的升高，擴(kuò)散系數(shù)急劇增大

16、（2）溫度升高空位濃度增大，有利于擴(kuò)散 DD0exp(-Q/RT) D0：擴(kuò)散常數(shù)，R：氣體常數(shù)，Q：擴(kuò)散激活能，T：絕對溫度（15）（1）溫度升高，借助熱起伏，獲得足夠能量越過勢壘進(jìn)行擴(kuò)散的原子的幾率增大7/24/2022劉志勇 30對式（14）DD0exp(-Q/RT) 取對數(shù)，得到方程溫度對擴(kuò)散系數(shù)的影響半對數(shù)坐標(biāo)上擴(kuò)散系數(shù)與溫度的線性關(guān)系截距為lnD0斜率tg=Q/R lnD=lnD0-(Q/R) (1/T)lnD1/T呈直線關(guān)系;測出直線斜率之后就可求出Q值（16 ）7/24/2022劉志勇 31溫度對擴(kuò)散系數(shù)的影響工業(yè)上滲碳時采用不同的滲碳溫度，滲碳速度就不相同如在927和1027

17、滲碳，碳在-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)為可見滲碳溫度提高100，擴(kuò)散系數(shù)約增加3倍，即滲碳速度加快了3倍D1300K=2.010-5exp(-1401030.239)/(21300) =5.1510-11 (m2/s)D1200K=2.010-5exp(-1401030.239)/(21200) =1.7610-11 (m2/s)（17）（18）7/24/2022劉志勇 32溫度對擴(kuò)散系數(shù)的影響溫度升高，擴(kuò)散原子獲得能量超越勢壘幾率增大且空位濃度增大，有利擴(kuò)散生產(chǎn)上各種受擴(kuò)散控制的過程，如擴(kuò)散型相變、晶粒長大，化學(xué)熱處理首先要考慮溫度的影響7/24/2022劉志勇 332 晶體缺陷對擴(kuò)散的影響沿面缺陷的

18、擴(kuò)散（界面、晶界）：原子規(guī)則排列受破壞，產(chǎn)生畸變，能量高，所需擴(kuò)散激活能低原子沿點(diǎn)缺陷、線缺陷（位錯）和面缺陷（晶界和自由表面等）的擴(kuò)散速率遠(yuǎn)比沿晶內(nèi)的體擴(kuò)散速率大，通常把沿這些缺陷所進(jìn)行的擴(kuò)散稱為“短路擴(kuò)散”7/24/2022劉志勇 34沿面缺陷的擴(kuò)散在晶界和自由表面附近，點(diǎn)陣畸變嚴(yán)重，空位密度和空位的遷移率均比晶內(nèi)高，因此面缺陷處擴(kuò)散激活能較低，借助空位擴(kuò)散機(jī)制的擴(kuò)散容易進(jìn)行雙晶體中的擴(kuò)散箭頭為擴(kuò)散方向，線條為等濃度線設(shè)想在垂直于雙晶體晶界的外表面上鍍一層擴(kuò)散物質(zhì)M（或同位素示蹤原子），使其擴(kuò)散，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)M擴(kuò)散到晶格去的深度要比擴(kuò)散到晶界和外表面的小得多7/24/2022劉志勇 35實(shí)驗(yàn)發(fā)

19、現(xiàn)，釷在鎢絲中的晶界擴(kuò)散系數(shù)DB和體擴(kuò)散系數(shù)DL分別為晶體缺陷對擴(kuò)散的影響可知DBDL，而且釷在晶界上的擴(kuò)散激活能也比在晶格中的小得多在溫度降低時，DB比DL減小得慢一些，晶界擴(kuò)散的貢獻(xiàn)就顯得更加重要DB=0.74exp-900000/(RT) DL=1.0exp-120000/(RT) （19）（20）7/24/2022劉志勇 36多晶銀（直線1）的斜率約為單晶銀（直線2）的斜率的二分之一，表明晶界擴(kuò)散激活能約為體擴(kuò)散激活能的一半單晶銀和多晶銀的自擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系多晶銀和單晶銀的擴(kuò)散系數(shù)與1/T的關(guān)系 700700以下多晶銀中包含晶界擴(kuò)散,自擴(kuò)散系數(shù)比單晶銀的大擴(kuò)散系數(shù)高溫下空位濃度多，

20、晶界擴(kuò)散被晶內(nèi)擴(kuò)散掩蓋 多晶銀D1（2.3 10-5exp-26400/(RT)(cm2/s) 單晶銀D2=0.859exp-45.950/(RT)(cm2/s) ）7/24/2022劉志勇 37擴(kuò)散系數(shù)與溫度、晶粒尺寸的關(guān)系銀不同擴(kuò)散方式時自擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系鋅在不同晶粒大小的黃銅中的擴(kuò)散系數(shù) 7/24/2022劉志勇 38（1）表面擴(kuò)散比晶界擴(kuò)散快，比體擴(kuò)散更快擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方式、溫度、晶粒尺寸關(guān)系（2）固溶體的晶粒越細(xì),則晶界多，擴(kuò)散系數(shù)越大在多晶體金屬中，除少數(shù)情況外，自由表面的擴(kuò)散并不重要，而晶界擴(kuò)散也只有在晶粒很細(xì)的情況下才會對整個擴(kuò)散作比較大的貢獻(xiàn)如果體擴(kuò)散容易進(jìn)行（如碳和氮等

21、原子在-Fe中的擴(kuò)散），則晶粒大小的影響就不明顯只當(dāng)擴(kuò)散的激活能很大，而且沿晶界的擴(kuò)散比體擴(kuò)散強(qiáng)烈時，晶粒大小的影響才比較明顯7/24/2022劉志勇 39位錯周圍的點(diǎn)陣發(fā)生畸變，刃型位錯線好象一根具有一定空隙度的管道，擴(kuò)散元素沿位錯管道遷移所需要的激活能較?。s為體擴(kuò)散激活能的1/2），擴(kuò)散速率較高2、 沿線缺陷的擴(kuò)散位錯線所占橫截面相對面積很小，在高溫下位錯對晶體總擴(kuò)散的貢獻(xiàn)并不大，只有在較低溫度下才顯出其重要性7/24/2022劉志勇 40沿線缺陷的擴(kuò)散冷變形增加金屬材料的界面和位錯密度，會加速擴(kuò)散過程過飽和固溶體在低溫度分解時，沿位錯管道的擴(kuò)散就起重要作用，沉淀相往往在位錯上優(yōu)先形核，

22、而且溶質(zhì)會較快地沿位錯管道擴(kuò)散到沉淀相上去，使其迅速長大如未變形的鉭片在滲碳介質(zhì)中于1900保持12h，其表面上所形成的滲碳層厚度小于經(jīng)過75%變形后，經(jīng)過1h的滲碳就能形成厚度為的滲碳層，滲碳速度提高了720多倍7/24/2022劉志勇 413.晶體結(jié)構(gòu)的影響a. -Fe的自擴(kuò)散系數(shù) D=5.8exp(-59700/RT) （21） -Fe的自擴(kuò)散系數(shù) D=0.58exp(-69700/RT) （22） D/D=10exp(4100/T) 1 在T=1183K（910）時，D/D=280，-Fe的自擴(kuò)散系數(shù)是-Fe的280倍（1）在具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬中，擴(kuò)散系數(shù)隨晶體結(jié)構(gòu)的改變會有明顯的

23、變化b. 間隙式溶質(zhì)原子N在-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)是在-Fe中的2000倍c. Mo、W、Cr等置換式溶質(zhì)原子在-Fe中的擴(kuò)散速率也遠(yuǎn)比在-Fe中快d. 同樣溫度下，鋅在體心立方點(diǎn)陣的黃銅中的擴(kuò)散系數(shù)也超過在面心立方點(diǎn)陣的黃銅中的擴(kuò)散系數(shù)7/24/2022劉志勇 42在具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬中，擴(kuò)散系數(shù)隨晶體結(jié)構(gòu)的改變會有明顯變化的原因可能與原子排列的致密度有關(guān)1）擴(kuò)散系數(shù)隨晶體結(jié)構(gòu)的改變而變化體心立方點(diǎn)陣的致密度比面心立方點(diǎn)陣低，需要的擴(kuò)散激活能相對較低；空位形成功也小，擴(kuò)散系數(shù)大7/24/2022劉志勇 432.各向異性晶體的各方向原子間距不一樣，擴(kuò)散系數(shù)也不相同2）晶體的各向異性對擴(kuò)散系數(shù)的

24、影響具有菱方結(jié)構(gòu)的鉍有明顯方向性平行于0001方向上擴(kuò)散系數(shù)小于垂直方向上的擴(kuò)散系數(shù)密排六方晶系的鋅平行于底面的D0.13exp(-21800/RT)垂直于底面的D=0.58exp(-24800/RT)因?yàn)槠叫?001方向上的擴(kuò)散，原子要通過原子排列最密的（0001）面，所以要困難一些，這種異向性隨溫度升高逐漸減小7/24/2022劉志勇 44菱方系鉍的自擴(kuò)散系數(shù)的各向異性265時，沿c軸方向上的自擴(kuò)散系數(shù)(A線)只約為垂直該方向上的自擴(kuò)散系數(shù)（B線）的1/106平行和垂直于c軸的自擴(kuò)散系數(shù)相差約1000倍7/24/2022劉志勇 454.固溶體類型的影響間隙原子擴(kuò)散激活能比置換式原子的擴(kuò)散激

25、活能小得多；缺位式固溶體中缺位數(shù)多，擴(kuò)散易進(jìn)行C、H、N在Fe中形成間隙式固溶體，Q小而擴(kuò)散快Al、Cr在Fe中形成置換式固溶體，Q大而擴(kuò)散慢鋼件在表面化學(xué)熱處理時，欲獲得相同的表面濃度，則滲碳、滲氮所需時間遠(yuǎn)比滲鋁、滲鉻為短7/24/2022劉志勇 465.擴(kuò)散元素性質(zhì)的影響擴(kuò)散元素的性質(zhì)與溶劑金屬的性質(zhì)差別越懸殊，則擴(kuò)散系數(shù)越大差別是指在元素周期表中的相對位置、溶質(zhì)在溶劑金屬中的固溶度極限、溶質(zhì)和溶劑金屬的熔點(diǎn)以及原子尺寸等通常溶解度越小的元素，擴(kuò)散越容易進(jìn)行7/24/2022劉志勇 47不同元素在銀中的擴(kuò)散系數(shù)金屬AgAuCdInSnSb1000K時的D/10-5cm2s-11.12.8

26、4.16.67.68.6用摩爾分?jǐn)?shù)表示的最大溶解度1.001.000.420.190.120.05哥氏半徑/nm0.1440.1440.15210.15690.15820.14167/24/2022劉志勇 486.擴(kuò)散組元的影響在許多固溶體合金中，溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)隨溶質(zhì)濃度的增加而增加凡溶質(zhì)元素能使合金熔點(diǎn)降低的（或引起液相線下降的）均能使擴(kuò)散系數(shù)增加；反之，使擴(kuò)散系數(shù)降低7/24/2022劉志勇 49擴(kuò)散組元濃度對擴(kuò)散的影響某些元素在銅中的擴(kuò)散系數(shù)與其濃度的關(guān)系 碳在-Fe中擴(kuò)散系數(shù)與其濃度的關(guān)系 7/24/2022劉志勇 50擴(kuò)散組元對擴(kuò)散的影響無限固溶體相圖以及互擴(kuò)散系數(shù)與成分的關(guān)系溶質(zhì)元

27、素使合金熔點(diǎn)降低，D增加，反之，D降低7/24/2022劉志勇 517. 第三元素（或雜質(zhì)）的影響第三元素對二元合金中組元擴(kuò)散的影響復(fù)雜，尚未得出規(guī)律性a. 碳鋼中，加入不同元素對C在-Fe中的擴(kuò)散速率影響不同，與C和合金元素的親和力有關(guān)b. 在Al-Mg合金中加入2.7%Zn，可使Mg在Al中擴(kuò)散速率減半1.加入4%的鈷可使碳在-Fe中的擴(kuò)散速率增加一倍2.加入3%Mo或W，則使其減小一半，Mo對碳在-Fe中擴(kuò)散的影響還與溫度有關(guān)，當(dāng)溫度低于1100時，擴(kuò)散速率減慢；高于1100時則加速和Ni對C在-Fe中的擴(kuò)散無影響7/24/2022劉志勇 52合金元素對碳在Fe中的擴(kuò)散系數(shù)的影響碳在r-

28、Fe中擴(kuò)散系數(shù)跟碳與合金元素親和力有關(guān)a.形成碳化物元素b.形成不穩(wěn)定碳化物c.不形成碳化物而溶于固溶體中的元素影響各不相同，如Co、Ni可提高C的擴(kuò)散系數(shù)，而Si則降低碳的擴(kuò)散系數(shù)如Mn對碳的擴(kuò)散影響不大如W、Mo、Cr等降低碳的擴(kuò)散系數(shù)7/24/2022劉志勇 537.2.7 擴(kuò)散的熱力學(xué)分析與濃度梯度有關(guān)的擴(kuò)散一般是高濃度向低濃度擴(kuò)散過程的濃度梯度問題，稱為“順擴(kuò)散”還存在低濃度向高濃度的擴(kuò)散過程稱為“逆擴(kuò)散”（或稱為“上坡擴(kuò)散”）7/24/2022劉志勇 54決定組元原子擴(kuò)散的流向是化學(xué)勢方向擴(kuò)散的熱力學(xué)濃度梯度方向與化學(xué)勢梯度方向一致時，溶質(zhì)原子就會從高濃度地區(qū)向低濃度地區(qū)遷移，產(chǎn)生順擴(kuò)散，使成分趨向均勻，如鑄錠均勻化退火濃度