哈工大金属学与热处理课件8.ppt

第七章第七章 扩散扩散本章重点本章重点 : (1) 扩散的概念与本质扩散的概念与本质 (2) (2) 固态金属扩散的条件固态金属扩散的条件 (3) (3) 影响扩散的因素影响扩散的因素  定义定义：： 物质中原子或分子通过无物质中原子或分子通过无规运动导致宏观迁移与传质的现象规运动导致宏观迁移与传质的现象 └ 移动距离超过平均原子间距移动距离超过平均原子间距 扩散现象：柯肯达尔效应（扩散现象：柯肯达尔效应（P214））物质传输方式物质传输方式：： 气、液气、液 ：：扩散扩散 固固 ：： 扩散扩散 —— 唯一机制唯一机制1 扩散定义与本质扩散定义与本质 对流、对流、本质：本质： 大量原子不断大量原子不断克服克服原子之间原子之间 能垒能垒，，跃迁跃迁到邻近位置，实现到邻近位置，实现宏观的物质迁移宏观的物质迁移过程 阻阻 力：邻近原子间势能垒力：邻近原子间势能垒 驱动力：热振动原子的能量起伏驱动力：热振动原子的能量起伏 ——与温度有关与温度有关Q2 扩散机制扩散机制 (1) 换位扩散换位扩散—主要机制主要机制 —小原子小原子 ——难难 (2) 空位扩散空位扩散 (3) 间隙扩散间隙扩散 3 扩散的条件扩散的条件①① 存在扩散驱动力存在扩散驱动力——热力学条件热力学条件 梯度：化学位、温度、应力、梯度：化学位、温度、应力、 电场、磁场等电场、磁场等②② 扩散原子与基体有固溶性扩散原子与基体有固溶性——前提条件前提条件③③ 足够高温度足够高温度——动力学条件：动力学条件：④④ 足够长时间足够长时间 —宏观迁移的动力学条件宏观迁移的动力学条件4 固态扩散的分类固态扩散的分类 通常扩散伴随浓度变化通常扩散伴随浓度变化, 且高浓度且高浓度→低浓度低浓度 但实际上：并非一定如此但实际上：并非一定如此例如例如：： 纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长大大(晶界的迁移晶界的迁移)——扩散中无浓度扩散中无浓度变化；变化；又如又如：： 奥氏体转变为珠光体时：奥氏体转变为珠光体时： 奥氏体转变为渗碳体时碳奥氏体转变为渗碳体时碳由低浓度由低浓度的的奥氏体奥氏体向高浓度向高浓度的渗碳体的渗碳体扩散扩散——扩散的种类（类型）不同扩散的种类（类型）不同 固态扩散的分类固态扩散的分类根据扩散中是否发生浓度变化分类根据扩散中是否发生浓度变化分类①① 自扩散自扩散——扩散中无浓度变化扩散中无浓度变化 ——纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长大纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长大 ——扩散与浓度梯度无关扩散与浓度梯度无关②②互互(异异)扩散扩散——伴随有浓度变化的扩散伴随有浓度变化的扩散 ——不均匀固溶体均匀化过程中异类原子不均匀固溶体均匀化过程中异类原子的相对扩散、互相渗透过程的相对扩散、互相渗透过程 ——扩散与浓度梯度有关，又称化学扩散扩散与浓度梯度有关，又称化学扩散根据扩散方向是否与浓度梯度的方向相同分类根据扩散方向是否与浓度梯度的方向相同分类①① 下坡扩散下坡扩散——沿浓度降低的方向扩散，即沿浓度降低的方向扩散，即原子由高浓度区向低浓度区扩散。

原子由高浓度区向低浓度区扩散 ——不均匀固溶体均匀化过程、渗碳等不均匀固溶体均匀化过程、渗碳等②②上坡扩散上坡扩散——沿浓度升高的方向扩散，即沿浓度升高的方向扩散，即原子由低浓度区向高浓度区扩散原子由低浓度区向高浓度区扩散根据扩散中是否析出新相分类根据扩散中是否析出新相分类①① 原子扩散原子扩散——无新相产生无新相产生②②反应扩散反应扩散——扩散中有新相产生扩散中有新相产生 要点：扩散的驱动力要点：扩散的驱动力——化学位梯度，因多数化学位梯度，因多数情况下化学位梯度与浓度梯度方向一致，情况下化学位梯度与浓度梯度方向一致，故看起来扩散方向似顺着浓度梯度方向故看起来扩散方向似顺着浓度梯度方向 —— 温度、应力、电场、磁场等温度、应力、电场、磁场等5 扩散定律扩散定律一、一、 扩散第一定律扩散第一定律 ——菲克第一定律菲克第一定律 J = - D·dC/dx J ：：扩散通量，扩散通量，(g/c㎡㎡·s) D：：扩散系数扩散系数(c㎡㎡/s)；； dC/dx：：浓度梯度浓度梯度 适于稳态扩散适于稳态扩散，正比；，正比；dC/dt=0xCⅠⅡC1C2dxJxx+dx二二 、、 扩散第二定律（菲克第二定律）扩散第二定律（菲克第二定律） 非稳态非稳态：： C（（x，，t）） 或或dC/dt≠0 右图，右图，物质的积存速率：物质的积存速率： 在微小体积在微小体积Adx内用体积浓度内用体积浓度C的变化率表示物的变化率表示物质积存速率：质积存速率： 化简：化简：—— 扩散第二定律扩散第二定律(菲克第二定律菲克第二定律) 适于非稳态适于非稳态即即dC/dt≠0将扩散第一定律将扩散第一定律J = - D·dC/dx代入：代入：得：得： 当当D为常数时为常数时(与浓度无关与浓度无关)：：扩散第二定律（菲克第二定律）表达式扩散第二定律（菲克第二定律）表达式: D为常数时：为常数时：注意：注意：(1) 非稳态扩散非稳态扩散——普遍、通用的扩散方程普遍、通用的扩散方程(2) 求解难：须对具体扩散条件进行分析后，通过求解难：须对具体扩散条件进行分析后，通过建立边界条件、初始条件以及建立边界条件、初始条件以及C 表达式的推测，表达式的推测，给出特殊的解。

给出特殊的解 ——实际中常见的几种解可参考上海科技出版社实际中常见的几种解可参考上海科技出版社卢光熙卢光熙《《金属学教程金属学教程》》6 影响扩散的因素影响扩散的因素 J = - D·dC/dx → D；； dC/dx D = D0·exp(-Q/RT) (1) 温度温度：： T↑，，D↑ ——指数关系，指数关系， 原因：振动原因：振动↑，能量起伏，能量起伏↑；空位；空位↑，，(2) 基体基体的组织的组织结构结构 结构类型结构类型：： 致密型致密型 Q↑，，D↓ 例如：例如：Dα -Fe ≈240Dγ-Fe (912℃℃) ; 固溶体相类型固溶体相类型：： 间隙式间隙式>置换式置换式 —— Q 小小思考思考1：： 渗碳应当在渗碳应当在α-Fe中还是在中还是在γ-Fe中进行？中进行？思考思考2：： 冷加工金属冷加工金属与与退火金属退火金属的扩散速率谁大？的扩散速率谁大？晶体缺陷晶体缺陷：： 缺陷缺陷↑，，D ↑——空位多；空位多；表面扩散表面扩散(3) 合金元素合金元素 A、影响基体点阵中原子间结合力，进而影、影响基体点阵中原子间结合力，进而影响原子的扩散激活能响原子的扩散激活能Q，影响，影响D。

通常：若熔点或液相线通常：若熔点或液相线↑则则Q ↑，，D↓  B、合金元素对钢中碳扩散系数的影响、合金元素对钢中碳扩散系数的影响 ——是否形成碳化物是否形成碳化物。