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第五章 材料中的扩散 材料科学基础 2010.10 第五章 材料中的扩散—概述 扩散: 由于热运动而导致原子(分子)在介 质中迁移的现象. 微观: 热激活的原子通过自身热振动克服 束缚而迁移它处的过程. 宏观: 原子无序跃迁的统计结果. 主要研究内容: 扩散速率及其宏观规律; 扩散微观机理—扩散中原子的具体迁移方式. 第五章 材料中的扩散—概述 扩散现象: 气体、液体; 固体中质量传输的唯一途径; 与材料中的许多现象有关,是影响材料组织性能及加工处理的重要过程因素. 第五章 材料中的扩散—概述 扩散的分类 第五章 材料中的扩散—概述 固态扩散的条件 （1）温度足够高; （2）时间足够长; （3）扩散原子能固溶; （4）具有驱动力: 化学位梯度. §5.1 扩散定律及其应用 扩散定律 单向扩散实验 —扩散偶 c1c2(?1?2),950℃保温 §5.1 扩散定律及其应用 适用条件：稳态扩散—浓度及浓度梯度不随时 间改变(dc/dt=0), 此时可用dc/dx代 替?c/?x. §5.1 扩散定律及其应用 菲克第二定律 菲克第一定律不能全面描述非稳态扩散过程; §5.1 扩散定律及其应用 §5.1 扩散定律及其应用 扩散后惰性标记移动; §5.1 扩散定律及其应用 扩散定律的应用 求气体分子在金属中的扩散系数(稳态扩散)?应用菲克第一定律 §5.1 扩散定律及其应用 §5.1 扩散定律及其应用 —扩散第二方程特解,式中: §5.1 扩散定律及其应用 §5.1 扩散定律及其应用 §5.2 扩散的微观机理 间隙原子通过晶格间隙跃迁: 间隙—间隙; 平衡位置—间隙—间隙 间隙—平衡位置(篡位) §5.2 扩散的微观机理 结果: 形成扩散原子和空位的逆向流动—空位流动造成科肯道尔效应; 金属和置换固溶体的扩散机制. §5.2 扩散的微观机理 其他扩散机制 填隙机制: 平衡位置的原子挤入邻近原子的间隙中. §5.2 扩散的微观机理 换位机制: 直接交换、环形交换 §5.2 扩散的微观机理 原子迁移需克服能垒?Gm =G2-G1,只有自由能高于G2的原子才能迁移. 原子扩散能力由扩散激活能和扩散系数描述. §5.2 扩散的微观机理 给定条件下扩散溶质原子跳到相邻位置的频率(跃迁频率)为?; 原子跳动使其从晶面Ⅰ跃迁至晶面Ⅱ的几率为p; 晶面Ⅰ和Ⅱ上扩散原子的面密度分别为n1和n2且n1n2. 相邻晶面的面间距为a, 体积浓度c与溶质原子面密度n的关系: c = n/a §5.2 扩散的微观机理 §5.2 扩散的微观机理 原子扩散距离 无规行走问题: ①原子迁移距离均为a; ②原子在各方向上迁移几率相等. 经n次跃迁后原子距的距离: §5.2 扩散的微观机理 D0: 扩散常数 §5.2 扩散的微观机理 置换扩散激活能包括原子跃迁激活能和空位形成能; 置换扩散所需扩散激活能更高,扩散系数更低. §5.2 扩散的微观机理 摩尔扩散激活能 令: NA?Gm=Q, NAk=R 则扩散系数可表示为: §5.3 扩散的热力学理论 若化学位随距离x变化,则原子在x方向上将受到化学驱动力的作用: §5.3 扩散的热力学理论 §5.3 扩散的热力学理论 上坡扩散 上坡扩散: 扩散沿着与浓度梯度相同的方 向进行,即原子由低浓度处向高 浓度处进行的扩散. 固溶体中溶质偏聚和调幅分解时可发生上坡扩散. 上坡扩散的驱动力—化学位梯度 化学位梯度与浓度梯度方向一致—下坡扩散; 化学位梯度与浓度梯度方向相反—上坡扩散. §5.3 扩散的热力学理论 其它引起上坡扩散的因素： 弹性应力的作用－大直径原子跑向点阵的受拉部分，小直径原子跑向点阵的受压部分。 晶界的内吸附：某些原子易富集在晶界上。 电场作用：大电场作用可使原子按一定方向扩散。 §5.4 反应扩散 反应扩散 概念: 通过扩散使溶质组元超过固溶极限而不 断生成新相的扩散过程称为反应扩散. §5.4 反应扩散 由反应扩散所形成的相及相的成分可参考相应的相图进行分析. 钢的渗碳 §5.4 反应扩散 渗碳钢中碳浓度的分布 §5.5 影响扩散的重要因素 温度 §5.5 影响扩散的重要因素 固溶体类型 间隙溶质原子的扩散激活能比置换原子小,所以扩散速度较快. §5.5 影响扩散的重要因素 晶体缺陷 短路扩散—原子在表面、晶界、位错等晶 体缺陷处的扩散速度比在晶内 扩散的速度快, 因此称原子在