金属学与热处理81扩散

1、1第第8章章 扩扩 散散2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，

2、就是这种不等量的原子交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：热激活的原子通过自身的热振动克服束缚而迁移它：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。处的过程。 在在一个相内因分子或原子的热激活运动导致成分混合一个相内因分子或原子的热激活运动导致成分混合或均匀化的分子动力学过程。或均匀化的分子动力学过程。：原子无序跃迁的统计结果。（不是原子的定向移：原子无序跃迁的统计结果。（不是原子的定向移动）。动）。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

3、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应用扩散的应用 (1)9 在硅中在硅中掺杂磷制备掺杂磷制备N N型型半导体半导体: 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siliconsi

4、liconSEM 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

5、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

6、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（1 1）温度足够高；）温度足够高；（2 2）时间足够长；）时间足够长；（3 3）扩散原子能固溶；）扩散原子能固溶；（4 4）具有驱动力：化学）具有驱动力：化学位梯度。位梯度。（3）固态金属扩散的条件）固态金属扩散的条件15n 自扩散：原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩自扩散：原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散。散。( (如纯金属或固溶体的晶粒长大如纯金属或固溶体的晶粒长大

7、- -无浓度变化。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）扩散。（有浓度变化）n 下坡扩散：原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。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。上坡扩散：原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散。（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

8、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）17n 原子扩散：扩散过程中不出现新相。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。反应扩散：由之导致形成一种新相的扩散。 体扩散：在晶粒内部进行的扩散。体扩散：在晶粒内部进行的扩散。 表面扩散：在表面进行的扩散。表面扩散：在表面进行的扩散。 晶界扩散：沿晶界进行的扩散。晶界扩散：沿晶界进行的扩散。 表面扩散和晶界扩散的扩散

9、速度比体扩散要快得多，表面扩散和晶界扩散的扩散速度比体扩散要快得多，一般称前两种情况为一般称前两种情况为。此外还有沿位错线的扩散，。此外还有沿位错线的扩散，沿层错面的扩散等。沿层错面的扩散等。181920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

10、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

11、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/xi2223单位时间内通过垂直于扩散方向单位时间内通过垂直于扩散方向x的的单位面积的扩散物质量。用单位面积的扩散物质量。用J表示。量纲：物质量表示。量纲：物质量/（时（时间间长度长度2）b）是指在垂直扩散方向的任一平面上，单是指在垂直扩散方向的任一平面上，单位时间内通过该平面单位面积的粒子数一定，即任一位时间内通过该平面单位面积的粒子数一定，即任一点的浓

12、度不随时间而变化。点的浓度不随时间而变化。8.1 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025 1855年，菲克（年，菲克（Fick）参照了傅里叶（参照了傅里叶（Fourier）于）于1822年建立的年建立的导热方程导热方程，获得了描述物质从高浓度区向，获得了描述物质从高浓度区向低浓度区迁移的定量公式。低浓度区迁移的定量公式。 假设有一单相固溶体，横截假设有一单相固溶体，横截面积为面积为A，浓度浓度C不均匀，在不均匀，在dt时间内，沿时间内，沿x方向通过方向通过x处处截面所迁移的物质的量与该处的浓度梯度成正比：截面所迁移的物质的量与该处的浓度梯度成正比：t

13、AxCm)(xCDAdtdm（1）菲克第一定律）菲克第一定律26xcDJ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。 dxdc由扩散通量的定义，有由扩散通量的定义，有2728“-”-”号

14、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 m1010

15、0/m/mol025. 00025. 0) sm/(mol1025. 2/ )(632612 xCCJDD=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)(er

16、f37022deBAC21BAC222221CCA221CCB38)2(222222/0212121212DtxDtxerfCCCCdeCCCCC221CCC1t2t1C2CCx0221CC 0t3940n任一时刻任一时刻C(x,t)曲线的特点曲线的特点 对于对于x=0的平面，即原始接触面，有的平面，即原始接触面，有=0，即即，因此该平面的浓度恒定不变；在，因此该平面的浓度恒定不变；在，即边界处浓度，有即边界，即边界处浓度，有即边界处浓度也恒定不变。处浓度也恒定不变。 曲线斜率曲线斜率浓度曲线关于中心（浓度曲线关于中心（x=0, ）是对称的。随是对称的。随着时间增加，曲线斜率变小，当着时间增加

17、，曲线斜率变小，当 时，各点时，各点浓度都达到，实现了浓度分布的均匀化。浓度都达到，实现了浓度分布的均匀化。)(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 0.05

18、cm5.061h=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 49 在金属在金属B长棒的一端沉积一薄层金属长棒的一端沉积一薄层金属A，将这样，将这样的两个样品连接起来，就形成在两个金属的两个样品连接起来，就形成在两个金属B棒之间棒之间金属金属A的薄膜源。此扩散偶在退火时，金属的薄膜源。此扩散偶在退火时，金属A溶质在溶质在金属金属B棒中浓度将随退火时间棒中浓度将随退火时间t而变化。而变化。BB0 x