金属学与热处理(第8章)

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1、闫健yanjian@hfut.edu.cnwelcome金属学与热处理1第八章扩散8.1概述扩散的现象扩散的机制扩散的条件与分类8.2扩散定律8.3扩散的影响因素2学习要求1.掌握扩散现象与机制2.区分稳定扩散与非稳定扩散3.掌握菲克第一定律，第二定律的表达式4.熟悉影响扩散的因素38.1概述扩散的概念物质中原子（分子）的迁移现象称为扩散。气体和液体中的扩散现象容易被人们察觉，例如水盆中滴一滴墨水，很快就均匀了。在房间角落喷点香水，很快整个房间充满香味。而固态金属中也同样存在着扩散现象，原子依靠热运动不断地从

2、一个位置移动到另一位置。研究扩散的意义铸件的均匀化退火、合金中的固态相变、钢的各种化学热处理等都与扩散密切相关。半导体电子、陶瓷、储能材料等，扩散都发挥着重要作用了解材料的微观结构变化以及控制这些过程有重要意义4应用举例铸造合金消除枝晶偏析的均匀化退火钢在加热和冷却时的一些相变变形金属的回复与再结晶钢的化学热处理金属加热过程中的氧化和脱碳粉末合金的烧结5Kirkendall于1947年在研究CuZn-Cu扩散偶中发现的，故称为柯肯达尔效应。这一效应在Cu-Zn、Cu-Ni、Au-Ni、Fe-Ni等扩散偶中发现

3、。一、扩散现象和本质典型的置换型固溶体中的扩散，在两种原子的扩散过程中有界面的迁移现象。6扩散的本质当温度一定时，总有部分原子具有足够高的能量，能够克服势垒Q，从原来的平衡位置跃迁到相邻的平衡位置上去，这个势垒Q称为扩散激活能。7固态扩散是大量原子无序跃迁的统计结果晶体的周期势场中,原子向各个方向跃迁几率相等,这样,不会产生物质传输的宏观扩散效果.若晶体周期场的势能曲线倾斜(图),则原子自左向右跃迁的激活能为Q,自右向左的激活能为Q＋ΔC.那么,原子向右跳动的几率将大于向左跳动的几率.大量原子的无序跃迁造成物

4、质的定向迁移，即发生扩散.扩散不是原子的定向跃迁,而是原子的随机无序跃迁89温度较高时，晶格扩散起主要作用。进行晶格扩散时，原子的迁移有以下一些方式：1.空位机制（Vacancydiffusion）：温度越高，晶体中的空位越多，处于空位旁边的原子就容易跳入空位中，使原来的位置变成空位，空位不断地在晶体点阵中运动，造成物质的宏观迁移。空位扩散机制适合于纯金属的自扩散（Self-diffusion）和置换固溶体中原子的扩散，甚至在离子化合物和氧化物中也起主要作用。在置换固溶体中，由于溶质和溶剂原子的尺寸都较大，原

5、子不可能通过间隙进行扩散，而是通过空位进行扩散。空位机制是FCC金属中的主要扩散机制；在BCC金属、HCP金属、离子化合物和氧化物中，也起着重要的作用。二.微观机制10FigureDiffusionmechanismsinmaterial:(a)vacancyorsubstitutionalatomdiffusionand(b)interstitialdiffusion11图4－8面心立方晶体的空位扩散机制122.间隙机制（Interstitialdiffusion）：间隙机制认为原子扩散是通过在点阵间隙之间

6、的不断跳跃而实现迁移的。它适合于间隙固溶体中间隙原子的扩散。畸变能构成了原子迁移的主要阻力。由于间隙原子较小，间隙扩散激活能较小，扩散比较容易。3.换位机制：两原子交换机制(直接换位)；环形换位机制:；空位机制起主导作用。13图4－9面心立方晶体的八面体间隙及（001）晶面图4－10原子的自由能与位置之间的关系14图4－11直接换位扩散模型图4－12环形换位扩散模型（a）面心立方4-换位（b）面心立方4-换位（c）体心立方4-换位三、固态金属扩散的条件1、驱动力条件化学位梯度是扩散的驱动力。2、固溶条件扩散原

7、子在基体金属中必须有一定的溶解度，才能够进行扩散。3、温度如果温度过低，扩散过程极其缓慢，实际上已经无法进行。例如钢中C原子在室温不扩散，加热到100℃以上，扩散才较为明显。4、时间由于扩散是与时间有关的过程，因此，必须有足够长的时间才能使某一扩散得以充分进行。15四、固态扩散的分类1、根据扩散过程中是否发生浓度变化分类（1）自扩散自扩散过程不产生浓度变化，自扩散只发生在纯金属和单相固溶体中。例如纯金属的晶粒长大过程。（2）互扩散互扩散过程产生浓度变化，它与异类原子的浓度有关，在扩散过程中，异类原子互相扩散、

8、渗透。162、根据扩散方向是否与浓度梯度方向相同进行分类（1）下坡扩散沿着浓度降低的方向进行的扩散称为下坡扩散。扩散的结果使得浓度趋于均匀化，例如铸件的均匀化退火、墨水的扩散等。（2）上坡扩散沿着浓度升高的方向进行的扩散称为上坡扩散。1718要点：扩散驱动力化学位梯度：多数情况下化学位梯度与浓度梯度方向一致，故看起来扩散方向顺着浓度梯度方向。温度，应力，电磁，磁场等也可引起上坡扩散193、根据扩散过