材料科学基础-扩散.

1、第八章第八章 扩散扩散本章重点本章重点 : (1) 扩散的概念与本质扩散的概念与本质 (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 扩散是物质中原子（分子）的迁移现象，是物质扩散是物质中原子（分子）的迁移现象，是物质传输的一种方式。例如：熔炼，偏析，均匀化，氧传输的一种方式。例如：熔炼，偏析，均匀化，氧化等过程化等过程固态固态 扩散（唯一机制）扩散（唯一机制）气、液气、液 态态对流、扩散、（带电粒子迁移）对流、扩散、（带电粒子迁移） 扩散定义扩散定义： 物质中原子或分子通过无规运动导致宏物质中原子或分子通过无规运动导致宏观迁移与传质的现象。

2、观迁移与传质的现象。(移动距离超过平均原子间距移动距离超过平均原子间距 ) 1 扩散概述扩散概述 一、扩散现象和本质一、扩散现象和本质 扩散通常是自浓度高的向低浓度方向进行；固体扩散通常是自浓度高的向低浓度方向进行；固体也存在扩散，但固体扩散速率十分缓慢，如也存在扩散，但固体扩散速率十分缓慢，如柯肯达柯肯达尔效应：（置换互溶的组元）尔效应：（置换互溶的组元）l 固体金属原子扩散本质：固体金属原子扩散本质： 原子在其平衡位置进行热振动，由于能量起伏，原子在其平衡位置进行热振动，由于能量起伏，部分原子越过能垒；当部分原子越过能垒；当大量原子大量原子不断克服原子之间不断克服原子之间 能垒，跃迁到邻近

3、位置时，即实现宏观的物质迁移过能垒，跃迁到邻近位置时，即实现宏观的物质迁移过程。程。阻阻 力：邻近原子间势能垒（激活能力：邻近原子间势能垒（激活能Q）驱动力：热振动原子的能量起伏驱动力：热振动原子的能量起伏与温度有关与温度有关固态扩散是大量原子无序跃迁的统计结果固态扩散是大量原子无序跃迁的统计结果 若晶体周期场的势能曲线是倾斜的，导致向右跳跃若晶体周期场的势能曲线是倾斜的，导致向右跳跃的原子数大于反向跳回的原子数，大量原子无序迁跃的原子数大于反向跳回的原子数，大量原子无序迁跃的统计结果，即造成了物质的定向输送的统计结果，即造成了物质的定向输送扩散扩散 设存在纯金属8列原子，中间四列原子含有4个

4、同位素原子，每个原子平均跃迁一次后出现的同位素原子分布情况。二、扩散机制二、扩散机制 扩散不仅由原子扩散不仅由原子热运动热运动所控制，而且还要受具体的所控制，而且还要受具体的晶体结构晶体结构所制约；即扩散机制随晶体结构不同而变化所制约；即扩散机制随晶体结构不同而变化 (2) 间隙扩散间隙扩散小原子小原子 如：碳在奥氏体中扩散如：碳在奥氏体中扩散 (1) 空位扩散空位扩散主要机制主要机制 如：自扩散，置换扩散如：自扩散，置换扩散两种主要机制：两种主要机制：交换机制交换机制环形机制环形机制空位机制空位机制松弛机制松弛机制简单间隙机制简单间隙机制 推填子间隙机制推填子间隙机制非共线推填子非共线推填子

5、哑铃间隙扩散哑铃间隙扩散哑铃转位扩散哑铃转位扩散挤列扩散机制挤列扩散机制三、固态金属扩散的条件三、固态金属扩散的条件 存在扩散驱动力存在扩散驱动力化学位梯度（不是浓度梯化学位梯度（不是浓度梯度）；此外，化学位梯度、温度梯度、应力梯度、度）；此外，化学位梯度、温度梯度、应力梯度、电场梯度、磁场梯度等也可以引起扩散电场梯度、磁场梯度等也可以引起扩散(热力学热力学) 扩散原子与基体固溶扩散原子与基体固溶（前提条件前提条件） 温度足够高温度足够高温度越高，跃迁几率大（温度越高，跃迁几率大（动力学动力学） 足够长时间足够长时间扩散扩散1mm距离，必须跃迁亿万次距离，必须跃迁亿万次 （宏观迁移的动力学条件

6、宏观迁移的动力学条件）四、固态扩散的分类四、固态扩散的分类 通常扩散伴随浓度变化通常扩散伴随浓度变化, 且高浓度且高浓度低浓度，但低浓度，但实际上：并非一定如此实际上：并非一定如此例如例如： 纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长大纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长大(晶界的晶界的迁移迁移)扩散中无浓度扩散中无浓度变化；变化；又如又如： 奥氏体转变为珠光体时：奥氏体转变为珠光体时： 奥氏体转变为渗碳体时碳奥氏体转变为渗碳体时碳由低浓度由低浓度的奥氏体的奥氏体向向高浓度高浓度的渗碳体的渗碳体扩散扩散 扩散的种类（类型）不同扩散的种类（类型）不同 自扩散自扩散扩散中无浓度变化，即：扩散中无浓度变化，即：扩散与

7、浓扩散与浓度梯度无关度梯度无关。如：纯金属以及均匀固溶体中晶。如：纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长大粒的长大 互互(异异)扩散扩散伴随有浓度变化的扩散，即扩散伴随有浓度变化的扩散，即扩散与浓度梯度有关，又称与浓度梯度有关，又称化学扩散化学扩散；如；如:不均匀固不均匀固溶体均匀化过程中异类原子的相对扩散、互相溶体均匀化过程中异类原子的相对扩散、互相渗透过程等。渗透过程等。l 根据扩散中是否发生浓度变化分类根据扩散中是否发生浓度变化分类 下坡扩散下坡扩散沿浓度降低的方向扩散，即原子由沿浓度降低的方向扩散，即原子由高浓度区向低浓度区扩散。如：固溶体均匀化过高浓度区向低浓度区扩散。如：固溶体均匀化过程、

8、渗碳等。程、渗碳等。 上坡扩散上坡扩散沿浓度升高的方向扩散，即原子由沿浓度升高的方向扩散，即原子由低浓度区向高浓度区扩散。如低浓度区向高浓度区扩散。如:奥氏体转变为珠光奥氏体转变为珠光体时，体时，l根据扩散方向与浓度梯度方向是否相同分类根据扩散方向与浓度梯度方向是否相同分类 原子扩散原子扩散扩散时晶格类型不变，无新相产生扩散时晶格类型不变，无新相产生 反应扩散反应扩散溶质超过固溶度，扩散中有新相产生溶质超过固溶度，扩散中有新相产生 【要点要点】扩散的驱动力扩散的驱动力化学位梯度化学位梯度，因多数情况，因多数情况下化学位梯度与浓度梯度方向一致，故看起来扩散方下化学位梯度与浓度梯度方向一致，故看起

9、来扩散方向似顺着浓度梯度方向。此外，温度梯度、向似顺着浓度梯度方向。此外，温度梯度、应力梯度应力梯度、电场梯度、磁场梯度等作用下也可发生上坡扩散。电场梯度、磁场梯度等作用下也可发生上坡扩散。l 根据扩散中是否析出新相分类根据扩散中是否析出新相分类反应扩散可依据相图分析。如：1000下Fe-O相图由外至里依次由外至里依次：Fe2O3，Fe3O4, FeO，最后-Fe 反应扩散在相界面处产生浓度突变反应扩散在相界面处产生浓度突变(极限溶解度极限溶解度)；依据相律可知，二元系扩散层中依据相律可知，二元系扩散层中不可能存在两相区不可能存在两相区2 扩散定律扩散定律J ：扩散通量，扩散通量，(g/cs)

10、 D：扩散系数扩散系数(c/s)dC/dx：浓度梯度浓度梯度xCC1C2dxJxx+dx一、菲克第一定律一、菲克第一定律 各处体积浓度各处体积浓度C只随距离只随距离x变化变化,即单位时间通过垂直截面物质量即单位时间通过垂直截面物质量J各处相等（稳定扩散）：各处相等（稳定扩散）： J = - DdC/dx 第一定律第一定律适于稳态扩散，适于稳态扩散，如气体通过金如气体通过金属薄膜且不与金属发生反应时属薄膜且不与金属发生反应时非稳态扩散非稳态扩散： 各处浓度随时间、距离变化，即各处浓度随时间、距离变化，即C(x, t) 或或dC/dt0; 如图，如图，物质积存速率物质积存速率 微体积微体积Adx内

11、物质积存速率用体积浓度内物质积存速率用体积浓度C变化率表示：变化率表示：二二 、 扩散第二定律（菲克第二定律）扩散第二定律（菲克第二定律） 化简化简：A将扩散第一定律代入：将扩散第一定律代入：适于非稳态适于非稳态 即即 dC/dt0扩散第二定律（菲克第二定律）表达式扩散第二定律（菲克第二定律）表达式: D为常数时为常数时：注意：注意：(1) 非稳态扩散非稳态扩散普遍、通用的扩散方程普遍、通用的扩散方程(2) 求解难：须对具体扩散条件进行分析后，通过建求解难：须对具体扩散条件进行分析后，通过建立边界条件、初始条件以及立边界条件、初始条件以及C 表达式的推测，给出表达式的推测，给出特殊的解。特殊的

12、解。 常见几种解参考卢光熙常见几种解参考卢光熙金属学教程金属学教程上海科技出版社上海科技出版社三、扩散应用举例三、扩散应用举例l 铸件均匀化退火铸件均匀化退火若溶质原子沿举例x方向分布：均匀化时，振幅减小，波长不变=0(x=0)有：有：即边界条件：即边界条件：最大值最大值l 金属的粘结金属的粘结 钎焊钎焊只钎料熔化只钎料熔化, 相相互扩散形成牢固结合互扩散形成牢固结合若均匀化后，成分偏析振幅降低若均匀化后，成分偏析振幅降低1%，此时：，此时：均匀化退火的时间与枝晶间距、扩散系数关系均匀化退火的时间与枝晶间距、扩散系数关系钎料成分向基材扩散量按钎料成分向基材扩散量按扩散第一定律计算：扩散第一定律

13、计算：1100下下Cu钎焊铁基材时钎焊铁基材时v 根据相图判断钎焊组织。钎料根据相图判断钎焊组织。钎料B与母材与母材A，若存在化合物，若存在化合物，T1下母材向钎料中溶解，界面达下母材向钎料中溶解，界面达C,出现出现金属化合物。金属化合物。v 钎料钎料B与母材与母材A形成共晶相图，形成共晶相图，B在在A中若超过溶解度极限中若超过溶解度极限在晶界上形成低熔点共晶体。在晶界上形成低熔点共晶体。 镀锌镀锌洗净的钢板浸入洗净的钢板浸入450熔融锌槽若干分钟。根据相熔融锌槽若干分钟。根据相图分析镀层组织：图分析镀层组织：锌镀层由表至里为锌镀层由表至里为Zn、五个单五个单相区，金属化合物镀层易剥落，适量加

14、入铝减少脆性化合物相区，金属化合物镀层易剥落，适量加入铝减少脆性化合物的量的量 。 采用烧结工艺提高粉末冶金制品的强度和致密度。粉末材料研制成型后，粉末微粒很多部位彼此接触，在烧结过程中原子首先通过接触面积大量扩散，使孔隙尺寸减小；同时晶粒长大，原子通过晶界扩散使大量孔隙消失；若长时间烧结可消除孔隙，是材料致密。粉末越细，扩散距离越短，烧结时间越短 粉末冶金烧结粉末冶金烧结烧结质量取决于：烧结质量取决于：压坯密度粉体性质与粒度烧结工艺烧结温度、时间等3 影响扩散的因素影响扩散的因素 (1) 温度温度 温度是影响扩散最主要的因素。温度是影响扩散最主要的因素。T，D (指数关系指数关系) 原因：温

15、度升高，原子振动原因：温度升高，原子振动，能量起伏，能量起伏；空位数目；空位数目 单位时间扩散量与扩散系数和浓度梯度有关单位时间扩散量与扩散系数和浓度梯度有关J = - DdC/dx 参数：参数： D; dC/dx D = D0exp(-Q/RT)其中：其中： 原子扩散激活能原子扩散激活能Q取决于原子结合能，即键能，高熔点金属取决于原子结合能，即键能，高熔点金属扩散激活能较高。扩散激活能较高。 不同晶体结构具有不同的扩散系数；不同晶体结构具有不同的扩散系数；致密型致密型 的的, Q D; 例例如：如：912 D -Fe 240D-Fe;通常在奥氏体区渗碳原因：奥氏通常在奥氏体区渗碳原因：奥氏体

16、溶碳能力远大于铁素体体溶碳能力远大于铁素体; 温度高扩散系数大，有利于增大温度高扩散系数大，有利于增大渗碳层！渗碳层！ 原子扩散各向异性原子扩散各向异性；如；如:400 密排六方密排六方Zn,平行和垂直基面平行和垂直基面方向方向D相差相差200倍倍 ！二、键能和晶体结构二、键能和晶体结构间隙原子的扩散激活能间隙原子的扩散激活能Q 晶晶界界亚晶界亚晶界晶内；晶内；且温度越高，其差且温度越高，其差异越小异越小 ！ 四、晶体缺陷四、晶体缺陷原因：原因：晶体缺陷！晶界晶体缺陷！晶界,位错等扩散激位错等扩散激活能小活能小,有利扩散。有利扩散。思考思考： 冷加工与退火金属的扩散速率谁大？冷加工与退火金属的扩散速率谁大？五、化学成分五、化学成分 l 加入合金元素影响熔点时加入合金元素影响熔点时 若使合金熔点若使合金熔点或液相线或液相线降低，合金元素会促进扩散系数增加。降低，合金元素会促进扩散系数增加。原因原因：合金元素影响基体点阵中原子间结合力，进而影响原子：合金元