金属学及热处理

1、授课教师:杨秀英 金属学及热处理沈阳理工大学应用技术学院沈阳理工大学应用技术学院第8章 扩散为什么探讨扩散为什么探讨扩散? ?引言扩散是固体中物质传输的唯一方式。扩散是固体中物质传输的唯一方式。扩散与固体材料中发生的许多变化过程密扩散与固体材料中发生的许多变化过程密切相关，诸如合金的凝固、铸件的成分均切相关，诸如合金的凝固、铸件的成分均匀化、变形金属的回复和再结晶、陶瓷的匀化、变形金属的回复和再结晶、陶瓷的烧结、材料的固态相变以及各种表面处理烧结、材料的固态相变以及各种表面处理等。等。 因此，研究扩散问题对于了解和因此，研究扩散问题对于了解和分析材料内部的微观结构变化以及控分析材料内部的微观结

2、构变化以及控制这些过程是非常重要的。本章主要制这些过程是非常重要的。本章主要讨论固态金属中扩散的宏观规律、微讨论固态金属中扩散的宏观规律、微观机制及其影响因素。观机制及其影响因素。8.1 8.1 概述概述8.2 8.2 扩散定律扩散定律8.38.3 影响扩散的因素影响扩散的因素 本章教学目的：本章教学目的： 1 1 阐明扩散定律，了解扩散定律的应用；阐明扩散定律，了解扩散定律的应用； 2 2 了解影响扩散的因素了解影响扩散的因素 重点：重点： (1) (1) 扩散第一定律；扩散第一定律； (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；

3、 一、扩散的现象和本质一、扩散的现象和本质二、扩散机制二、扩散机制三、固态金属扩散的条件三、固态金属扩散的条件四、固态金属扩散的分类四、固态金属扩散的分类8.1 8.1 概述概述一、扩散的现象和本质一、扩散的现象和本质 物质中原子物质中原子( (或离子、分子或离子、分子) )的迁移现象称为扩散的迁移现象称为扩散（1 1）现象：柯肯达尔效应。）现象：柯肯达尔效应。（2 2）本质：原子无序跃迁的统计结果。）本质：原子无序跃迁的统计结果。（不是原子的定向（不是原子的定向 移动）。移动）。二、扩散机制二、扩散机制（1 1）空位扩散机理）空位扩散机理在纯金属或置换固溶体中，主要是通过原子在纯金属或置换固

4、溶体中，主要是通过原子迁移到邻近的空位，即原子与空位交换位置迁移到邻近的空位，即原子与空位交换位置来实现扩散，此种方式进行扩散的机理称为来实现扩散，此种方式进行扩散的机理称为空位扩散机理。空位扩散机理。（1 1）间隙扩散机理）间隙扩散机理 在间隙固溶体中，一个扩散的溶质原子，在间隙固溶体中，一个扩散的溶质原子，从其所占据的间隙位置跳到邻近的另一个空从其所占据的间隙位置跳到邻近的另一个空着的间隙位置进行扩散，此种方式进行扩散着的间隙位置进行扩散，此种方式进行扩散的机理称为间隙扩散机理。的机理称为间隙扩散机理。三、固态金属扩散的条件三、固态金属扩散的条件(1)(1)要有足够高的温度。要有足够高的温

5、度。(2)(2)要有足够长的时间要有足够长的时间(3)(3)扩散原子在基体金属中必须有一定固溶度，扩散原子在基体金属中必须有一定固溶度，使之能够溶入基体晶格，形成固溶体，才能进使之能够溶入基体晶格，形成固溶体，才能进行固态扩散。行固态扩散。(4)(4)要有驱动力。要有驱动力。四、固态金属扩散的分类四、固态金属扩散的分类（1 1）根据有无浓度变化）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自扩散：原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散。迁移的扩散。 ( (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- -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互扩

6、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）而导致的扩散。（有浓度变化）（2 2）根据扩散方向）根据扩散方向 下坡扩散：原子由高浓度处向低浓度处进行下坡扩散：原子由高浓度处向低浓度处进行 的扩散。的扩散。 上坡扩散：原子由低浓度处向高浓度处进行上坡扩散：原子由低浓度处向高浓度处进行 的扩散。的扩散。（3 3）根据是否出现新相）根据是否出现新相 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。8.2 8.2 扩散定律扩散定律 菲克第一定律菲克第一定律（Fick 1855） 菲克（菲克（A

7、. Fick）于）于1855年通过实验得出了关于稳年通过实验得出了关于稳定态扩散的第一定律，即在扩散过程中，在单位时间内定态扩散的第一定律，即在扩散过程中，在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量J与浓与浓度梯度度梯度dC/dx成正比。其数学表达式为：成正比。其数学表达式为： 式中：式中：J为扩散通量；为扩散通量；D为扩散系数；为扩散系数；dC/dx为体积浓为体积浓度梯度；负号表示物质的扩散流方向与浓度梯度的方向度梯度；负号表示物质的扩散流方向与浓度梯度的方向相反。相反。 扩散第一定律所描述的是一种稳态扩散，即扩散物质的浓扩散第一定律

8、所描述的是一种稳态扩散，即扩散物质的浓度不随时间而变化。度不随时间而变化。J=DdC/dx8.38.3 影响扩散的因素影响扩散的因素(1) 温度。温度越高，原子的能量越大，越易发生迁移，扩散系数越大，扩散越快。 (2) 固溶体类型。不同类型的固溶体，原子扩散机构不同，溶质原子的扩散激活能不同，间隙固溶体中溶质原子的扩散激活能一般都比置换固溶体中的小，所以扩散速度较大。 (3) 晶体结构。总的来说，致密度越小的晶体结构，原子的扩散激活能越小，原子越易迁移，扩散系数越大、扩散速度越快。某些晶体结构原子的扩散还具有各向异性。 影响扩散的因素影响扩散的因素 (4) 晶体缺陷。 由于金属外表面、晶界、亚

9、晶界处晶格不同程度的产生畸变，能量较晶内高，扩散激活能都较晶内小。并且由于以上所述各面扩散激活能依次增高，因而表面扩散最快，因而表面扩散最快，晶界次之，亚晶界更次之，晶内最慢。晶界次之，亚晶界更次之，晶内最慢。位错线是晶格畸变的“管道”，原子沿这些“管道”扩散较晶内容易，因而在位错、空位等因而在位错、空位等缺陷处的原子较完整晶格处的原子扩散速度缺陷处的原子较完整晶格处的原子扩散速度快。快。(5)(5)化学成分。在金属或合金中加入第二或第化学成分。在金属或合金中加入第二或第三元素时，有的可以加速扩散，有的则会减三元素时，有的可以加速扩散，有的则会减慢扩散，情况比较复杂，目前尚缺乏完整普慢扩散，情况比较复杂，目前尚缺乏完整普通的理论。经对部分合金系统的成分与扩散通的理论。经对部分合金系统的成分与扩散系数间关系的研究，总结出以下规律：系数间关系的研究，总结出以下规律： 1) 1) 当加入合金元素使合金的熔点或液相线温当加入合金元素使合金的熔点或液相线温度降低时，度降低时，会使合金的扩散系数增加。会使合金的扩散系数增加。反之反之则使扩散系数降低。则使扩散系数降低。 2) 2) 形成