第八章 材料中的扩散.ppt

1 1 第八章材料中的扩散 扩散对于材料的加工过程具有重要影响 概述8 1扩散定律8 2扩散机制8 3影响扩散的因素8 4反应扩散 2 2 概述 1扩散的现象与本质 1 扩散 热激活的原子通过自身的热振动克服束缚而迁移它处的过程 2 现象 柯肯达尔效应 3 本质 原子无序跃迁的统计结果 不是原子的定向移动 3 3 2扩散的分类 1 根据有无浓度变化自扩散 原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散 如纯金属或固溶体的晶粒长大 无浓度变化 互扩散 原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散 有浓度变化 2 根据扩散方向下坡扩散 原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散 上坡扩散 原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散 4 4 2扩散的分类 1 根据有无浓度变化自扩散 原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散 如纯金属或固溶体的晶粒长大 无浓度变化 互扩散 原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散 有浓度变化 2 根据扩散方向下坡扩散 原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散 上坡扩散 原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散 5 5 2扩散的分类 3 根据是否出现新相原子扩散 扩散过程中不出现新相 反应扩散 由之导致形成一种新相的扩散 3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 6 6 8 1扩散定律 8 1 1菲克 FickA 第一定律 1 第一定律描述 单位时间内通过垂直于扩散方向的某一单位面积截面的扩散物质流量 扩散通量J 与浓度梯度成正比 2 表达式 J D dc dx C 溶质原子浓度 D 扩散系数 3 适用条件 稳态扩散 dc dt 0 浓度及浓度梯度不随时间改变 7 7 8 1 2菲克第二定律一般 C t D C x x一维 1 表达式特殊 C t D 2C x2三维 C t D 2 x2 2 y2 2 z2 C稳态扩散 C t 0 J x 0 2 适用条件非稳态扩散 C t 0 J x 0 C t J x 8 8 1 3扩散方程在生产中的应用举例 1 误差函数解 扩散方程在渗碳中的应用 适用条件 无限长棒和半无限长棒 表达式 半无限长棒 如 恒定扩散源 在渗碳条件下 C0为原始浓度 CS为渗碳气氛浓度 Cx为距表面x处的浓度 9 2 正弦解 扩散方程在扩散退火过程的应用 8 7 x c 10 8 1 4扩散的驱动力与上坡扩散 1 扩散的驱动力对于多元体系 设n为组元i的原子数 则在等温等压条件下 组元i原子的自由能可用化学位表示 i G ni扩散的驱动力为化学位梯度 即F i x负号表示扩散驱动力指向化学位降低的方向 2 扩散的热力学因子组元i的扩散系数可表示为Di KTBi 1 ln i lnxi 其中 1 ln i lnxi 称为热力学因子 当 1 ln i lnxi 0时 DI 0 发生上坡扩散 11 3 上坡扩散概念 原子由低浓度处向高浓度处迁移的扩散 驱动力 化学位梯度 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 12 8 2扩散机制 1扩散机制间隙 间隙 1 间隙机制平衡位置 脱位 间隙 间隙 较困难 1 几率小 间隙 篡位 结点位置 几率小 间隙固溶体中间隙原子的扩散机制 13 方式 原子跃迁到与之相邻的空位 2 空位机制条件 原子近旁存在空位 金属和置换固溶体中原子的扩散 直接换位换位机制环形换位 所需能量较高 8 2 2置换扩散1 柯肯达尔效应 14 8 2 3扩散系数公式P为跃迁方向几率 对于立方结构晶体P 1 6 上式可写为 是常数 简单立方结构 面向立方结构 体心立方结构 15 扩散激活能Q 原子跃迁时所需克服周围原子对其束缚的势垒 D D0exp Q RT D0 扩散常数 16 8 3影响扩散的因素8 3 1温度 8 3 2固溶体类型间隙固溶体比置换固溶体扩散激活能低 扩散速度快 8 3 3晶体结构在温度及成分一定的条件下任一原子在密堆点阵中的扩散要比在非密堆点阵中的扩散慢 对称性差的单晶中扩散的各向异性 8 3 4浓度随浓度变化 但实际中假定D与浓度无关 17 8 3 5合金元素的影响 强碳化物形成元素如W Mo Cr等 由于它们与碳的亲和力较大 能强烈阻止碳的扩散 降低碳的扩散系数 不能形成稳定碳化物 但易溶解于碳化物中的元素 如Mn等 它们对谈的扩散影响不大 不形成碳化物而溶于固溶体中的元素对碳的扩散影响各不相同 如Co增加碳的扩散速率 而Si降低碳的扩散系数 8 3 6短路扩散晶体中的原子在表面 界面 位错处的扩散速度比原子在晶内扩散的速度要快 因此称原子在表面 界面 位错处的扩散为短路扩散 由于表面 界面 位错占的体积份额很小 所以只有在低温时 晶内扩散十分困难 或晶粒非常细小时 短路扩散的