金属学与热处理81扩散

1、12完全混合部分混合时间时间water加入染料（1） 扩散的现象与本质扩散的现象与本质8.1 8.1 概述概述3高碳含量区域低碳含量区域碳的扩散方向Fe-C合金4KirkendallSmigelskasErnest Kirkendall 5 这种不等量扩散导致钼丝移动的现象称为柯肯达这种不等量扩散导致钼丝移动的现象称为柯肯达尔效应。多种置换型扩散偶中都有尔效应。多种置换型扩散偶中都有柯肯达尔效应，例柯肯达尔效应，例如如Ag-Au，Ag-Cu，Au-Ni，Cu-Sn等。等。 造成这种现象的原因是：低熔点组元扩散快，高造成这种现象的原因是：低熔点组元扩散快，高熔点组元扩散慢，就是这种不等量的原子交

2、换造成了熔点组元扩散慢，就是这种不等量的原子交换造成了克根达耳效应。克根达耳效应。 AuNiAuNi扩散前扩散前扩散后扩散后67半导体掺杂半导体掺杂固溶体的形成固溶体的形成离子晶体的导电离子晶体的导电固相反应固相反应相变相变烧结烧结材料表面处理材料表面处理 扩散扩散8 表面硬化表面硬化: : - -碳原子扩散到铁表面的碳原子扩散到铁表面的几层铁原子中几层铁原子中 - -例子：齿轮的表面硬化例子：齿轮的表面硬化 结果结果: -变形抗力增大变形抗力增大: C 对剪切对剪切（滑移）起到钉扎的作用（滑移）起到钉扎的作用 -不易开裂：不易开裂：C原子使表面受原子使表面受到压应力的作用到压应力的作用扩散的

3、应用扩散的应用 (1)9 在硅中掺杂磷制备在硅中掺杂磷制备N N型半导体型半导体: 工艺91. 在在Si表面沉积富表面沉积富P层层2. 加热加热3. 结果结果: 得到掺杂的得到掺杂的半导体区域半导体区域siliconsiliconSEM images and dot maps扩散的应用扩散的应用 (2)magnified image of a computer chip0.5mmlight regions: Si atomslight regions: Al atoms10（2）扩散机制）扩散机制 11 溶质原子存在晶格的间隙中，如溶质原子存在晶格的间隙中，如Fe中的中的C、N、H等等元素，扩

4、散过程是间隙原子从所处在的间隙，挤过晶格原元素，扩散过程是间隙原子从所处在的间隙，挤过晶格原子的空隙，到达相邻的另一个间隙。子的空隙，到达相邻的另一个间隙。 12 在置换固溶体中，由于晶格中存在空位，空位周围在置换固溶体中，由于晶格中存在空位，空位周围的原子的原子(包括溶剂和溶质原子包括溶剂和溶质原子)由热运动可能进入空位，即由热运动可能进入空位，即原子利用空位最后达到迁移，当存在浓度梯度原子利用空位最后达到迁移，当存在浓度梯度(化学位梯化学位梯度度)时，溶质原子就会发生定向的扩散迁移，这是置换原时，溶质原子就会发生定向的扩散迁移，这是置换原子扩散的主要方式。子扩散的主要方式。 扩散进行有两个

5、要求条件：一是有空位存在；二是空扩散进行有两个要求条件：一是有空位存在；二是空位周围的原子从原来的平衡位置进入空位也要一定的激活位周围的原子从原来的平衡位置进入空位也要一定的激活能。能。 13 溶质原子从一个位置到另一个位置的过程，在平衡溶质原子从一个位置到另一个位置的过程，在平衡位置的能量最低，从晶格原子中间能量最高，二者的能位置的能量最低，从晶格原子中间能量最高，二者的能量差，称为原子的扩散激活能。量差，称为原子的扩散激活能。14（3）固态金属扩散的条件）固态金属扩散的条件15（4） 扩散的分类扩散的分类16 由碳钢和硅钢组成的扩散偶，在初始状态，他们各自由碳钢和硅钢组成的扩散偶，在初始状

6、态，他们各自所含的碳没有浓度梯度，而且两者的碳浓度相同。在所含的碳没有浓度梯度，而且两者的碳浓度相同。在1050扩散后，形成了浓度梯度。这是由于在扩散后，形成了浓度梯度。这是由于在Fe-C合金合金中加入的中加入的Si使碳的化学势升高，以致使碳向不含使碳的化学势升高，以致使碳向不含Si的钢中的钢中扩散，导致了上坡扩散。（又例：应力梯度）扩散，导致了上坡扩散。（又例：应力梯度）17181920随着扩散时间的延长，铁棒表层的含碳量将不断增加，随之随着扩散时间的延长，铁棒表层的含碳量将不断增加，随之发生反应扩散。发生反应扩散。C1是是880时铁素体的饱和浓度，时铁素体的饱和浓度，C2和和C3是是奥氏体

7、的最低浓度和饱和浓度。若在渗碳过程中保持试样表奥氏体的最低浓度和饱和浓度。若在渗碳过程中保持试样表面的碳浓度为面的碳浓度为C3，随着扩散过程的进行，碳原子不断渗入，随着扩散过程的进行，碳原子不断渗入，、两相的界面将向右移动，相界面两边的浓度分别保持两相的界面将向右移动，相界面两边的浓度分别保持C2和和C1不变。不变。 21 在二元合金经反应扩散的渗层组织中不存在两相在二元合金经反应扩散的渗层组织中不存在两相混合区，而且在相界面上的浓度是突变的，它对应于混合区，而且在相界面上的浓度是突变的，它对应于该相在一定温度下的极限溶解度。不存在两相混合区该相在一定温度下的极限溶解度。不存在两相混合区的原因

8、可用相的热力学平衡条件来解释：如果渗层组的原因可用相的热力学平衡条件来解释：如果渗层组织中出现两相共存区，则两平衡相的化学势织中出现两相共存区，则两平衡相的化学势 必然必然相等，即化学势梯度相等，即化学势梯度 ，这段区域内就没有，这段区域内就没有扩散驱动力，扩散不能进行。同理，三元系中渗层的扩散驱动力，扩散不能进行。同理，三元系中渗层的各部分都不能出现三相共存区，但可以有两相区。各部分都不能出现三相共存区，但可以有两相区。i0/xi22238.1 8.1 扩散定律扩散定律24Solid NaCl饱和溶液饱和溶液浓度为浓度为025tAxCm)(xCDAdtdm（1）菲克第一定律）菲克第一定律26

9、xcDJ单位：扩散通量，单位：扩散通量，J，atoms/(m2s)或或kg/(m2s) 扩散系数，扩散系数，D，m2/s； 浓度梯度，浓度梯度， ，atoms/(m3m)或或kg/(m3m)扩散通量扩散通量浓度梯度浓度梯度扩散系数扩散系数 在稳态扩散的条件下，单位时间内通过垂直于扩在稳态扩散的条件下，单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积的扩散物质量（通称扩散通量）与散方向的单位面积的扩散物质量（通称扩散通量）与该截面处的浓度梯度成正比。该截面处的浓度梯度成正比。 dxdc2728“-”-”号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩散由高浓度向低浓度区进行。即扩散

10、由高浓度向低浓度区进行。29)(BCCFewC阿佛加德罗常数碳的摩尔质量密度 C原子/mol1092. 7)mol/1002. 6(mol/01.12)cm/g9 . 7)(002. 0(202331 原子gC02 C3042132012/cm1092. 7cm1 . 0)cm/(1092. 7试样厚度dd原子原子 CCxC)原子/cm10s)(-7.92/cm107 . 8(dd42127 xCDJJ=6.91015原子/(cm2s)31 xCDJdd xCCJxCJD/dd12 m10100/m/mol025. 00025. 0) sm/(mol1025. 2/ )(632612 xCCJ

11、DD=110-8m2/s=110-4cm2/s32 dxJ1J212JdxxJJAdxxJAJAJ21（2）菲克第二定律）菲克第二定律33xJtC)(xCDxtC22xCDtCAdxtCt)CAdx(34（4）扩散应用举例）扩散应用举例353622xCDtC)z(C)Dtx(CC2Dtxz2dzdCtzttDxzCtzzCtC2212tdzCd)xz(zCxC12222222tdzCdDdzdCtz1222BzdeACz)D/z(042020222Dt/xBdeABdeDAC022de)(erf37022deBAC21BAC222221CCA221CCB38)2(222222/02121212

12、12DtxDtxerfCCCCdeCCCCC221CCC1t2t1C2CCx0221CC 0t3940)(erf2210CCCx21,CCCC2212212DteCCxddCxC221CCCt221CC 41Dt442Dt4)2()(),(0Dtxerfccctxcss)2(1 ),(Dtxerfctxcs4344)2(0Dtxerfccccsxs)2()(),(0Dtxerfccctxcss45)2erf()(0DtxCCCCss 46现在，现在，Cs=1，C0=0.1，C=0.45；611. 01 . 0145. 01)2(0 CCCCDtxerfssDtx261. 0 x 0.05cm5.061h=s10822. 1s61. 01022. 9405. 061. 04428222 Dxt472211DtxDtx 12122)(txxt 在距表面在距表面0.1cm处获得同样的浓度（处获得同样的浓度（0.45%）所需时间）所需时间t2为为20.24h=s107.288=s10822. 1)05. 01 . 0(4422 ttkx 48）DtCCxCx2dd210 ZCCDtCC222121 tZD/2 49BB0 x5022xCDtC)4exp(2),(2DtxDtQtxc000000 xxxCtCCt时，当，时，当0)(dxxCQ 如果在无限大介质中扩散物质浓集在一根如果在无限