金属学与热处理：第六章 扩散.ppt

第六章 扩散6.1 概论 一.扩散的现象和本质 1. 扩散: 是物质中原子(或分子)的物质迁移现象,是物质传输的一种方式. 2. 柯肯达尔(Kirkendall)效应 3. 固态金属原子的迁移过程原子热振动能量起伏克服势垒Q原子跃迁原子激活激活能: 原子克服势垒所必须的能量.原子跃迁的方向原子的醉步: 扩散原子的随机跃迁过程二.扩散机理(一). 间隙扩散机理固溶体中的间隙扩散方式间隙固溶体中置换固溶体挤列式(b)顶替式(a)扩散的条件:+ 一定的晶体结构热振动间隙固溶体中绝大部分都空着.(二).换位扩散机理直接换位扩散机制环形换位扩散机制(三).空位扩散机理空位增多温度提高原子偏离平衡位置原子热振动加剧形成空位势能增高原子跃迁到空位的势垒降低原子热振动铜的激活能计算值与实验值比较结论: 空位扩散机理在固态金属扩散时可能性最大.三. 固态金属扩散的条件问题: 溶质原子一般由高浓度向低浓度的方向扩散, 浓度差是扩散的驱动力吗?溶质原子是否可以由低浓度向高浓度的方向扩散? 扩散的驱动力是什么呢? 回答: 扩散的驱动力是化学位差.组元原子总是自发的从化学位高的地方向化学位低的地方迁移(扩散).当溶质原子的浓度梯度同化学位梯度一致时,溶质原子就会从高浓度的地方向低浓度地方(迁移)扩散.反之, 则向由低浓度的地方向高浓度地方(迁移)扩散.最终目的:降低系统的自由能.问题举例: 见下页.(一)温度足够高.(二) 时间足够长.(三)扩散原子要固溶.(四) 扩散要有驱动力.举例说明 含碳量相近的碳钢(Wc=0.441%)和硅钢(Wc=0.487%, Wsi=3.80%)对焊在一起, 在1050oC13小时后,硅钢侧碳浓度降低, 碳钢侧碳浓度上升. 原因是硅提高了碳的化学位, 所以碳原子从有硅的侧向无硅的侧扩散, 以求降低化学位. 其他引起扩散的因素:温度梯度, 应力梯度, 表面自由能差, 电场和磁场等.举例:AL-C合金棒弹性弯曲,并在一定温度下加热, 发生扩散.大的铝原子向受拉伸的一边扩散, 小的铜原子小受压缩的一边扩散.四. 固态扩散的分类(一) 根据扩散过程中是否发生浓度变化分类自扩散: 互扩散:(二) 根据扩散方向是否与浓度梯度的方向相同进行分类下坡扩散: 上坡扩散:(三) 根据扩散过程中是否出现新相进行分类原子扩散反应扩散6.2 扩散定律一.菲克第一定律 在扩散过程中, 在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面面积的扩散流量J与浓度梯度dC/dx成正比. J= -DdC/dxJ为扩散流量; D为扩散系数; 为dC/dx体积浓度梯度; 负号表示物质的扩散方向与浓度梯度的方向相反.适用范围: 稳态扩散 (扩散过程中, 合金各处的浓度不随时间(dC/dt=0)变化.)二.菲克第二定律 适用范围: 非稳态扩散(扩散过程中, 合金各处的浓度和浓度梯度随距离和时间变化.)扩散第二定律是由第一定律推导出来, 它适用于一般的扩散过程.方程的解具有C=f (x, t )关系.设:I, II 为垂直的单位平面;J1,J2为进出两平面的扩散流量;浓度随时间的变化率为 ; 则单元dx内溶质的积累速率为:若扩散系数D为常数,则:菲克第二定律数学表达式:三.扩散应用举例(一) 铸锭件的均匀退火 工业生产中, 采用高温长时间均匀化退火, 通过合金中的熔质原子扩散,减轻(消除)枝晶偏析.溶质原子沿X方向分布, 符合正弦曲线:2初始边界条件:菲克第二定律的解: 因为所以要求:均匀化退火后, 成分偏析的振幅降低到原来的1%.因此,减低枝晶间距(打碎枝晶) ,提高D (提高退火温度), 可以减少退火时间.(二)钢的渗碳和渗氮(三) 金属的粘接1.钎焊2.镀锌3.包铝8.3 影响扩散的因素扩散系数D为:一. 温度温度提高原子震动能提高空位浓度提高原子扩散系数D提高例如: 二.晶体结构晶体结构不同扩散系数不同晶体致密度越小原子扩散系数越大三.固溶体类型固溶体类型不同, 溶质原子的扩散激活能不同.间隙原子扩散激活能 置换原子扩散速度例如: 例如: 四.晶体缺陷表面晶界亚晶界晶体内部扩散速度由快到慢晶体内部位错、空位处晶体内部完整部分原因：缺陷处原子排列不整齐，晶格畸变大，能量较高，所以原子扩散的激活能小，原子容易扩散。

五.化学成分1.加入的合金元素影响合金的熔点时提高熔点的合金元素, 降低原子扩散系数; 反之, 降低熔点的元素, 提高扩散系数.原因:合金熔点越高, 原子间的结合力越大, 原子(溶质或溶剂)扩散激活能增加, 扩散困难,扩散系数降低.2. 合金元素对弹在-Fe中扩散系数的影响形成碳化物的元素.不能形成碳化物,但易溶于碳化物中的元素.不能形成碳化物,但易溶于固溶体中的元素.。