第八章：扩散

1、第八章：扩散扩散是物质中原子扩散是物质中原子(或分子或分子)的迁移现象，是物质传输的一种形的迁移现象，是物质传输的一种形式相对于气体和液体中的扩散现象易于被人察觉，事实上，在式相对于气体和液体中的扩散现象易于被人察觉，事实上，在固态金属中也固态金属中也 存在着同样的扩散现象。在生产和使用过程中，存在着同样的扩散现象。在生产和使用过程中，有许多问题和扩散有关，例如：金属与合金的熔炼和结晶，偏有许多问题和扩散有关，例如：金属与合金的熔炼和结晶，偏析与均匀化，钢及合金的各种热处理和焊接，加热过程中的氧析与均匀化，钢及合金的各种热处理和焊接，加热过程中的氧化和脱碳，冷变形金属的回复和再结晶。化和脱碳，

2、冷变形金属的回复和再结晶。本章内容概括 扩散的机理 扩散的条件 扩散的类型 扩散的第一、第二定律 影响扩散的因素 应用举例扩散的机理一、扩散现象和本质一、扩散现象和本质如下面两张图片：如下面两张图片：“近朱者赤，近墨者黑近朱者赤，近墨者黑”可以作为固态物质中一种可以作为固态物质中一种扩散现象的描述。固态中的扩散速率十分缓慢不像气体和液体中扩散扩散现象的描述。固态中的扩散速率十分缓慢不像气体和液体中扩散那样易于观察，但它确确实实地存在着。金属结晶时液态金属原子向那样易于观察，但它确确实实地存在着。金属结晶时液态金属原子向固态晶核的迁移再结晶的晶粒长大，钢的脱碳和渗碳，以及金属的焊固态晶核的迁移再

3、结晶的晶粒长大，钢的脱碳和渗碳，以及金属的焊接等，都可以作为固态金属中的扩散例子。为了进一步证实固态扩散接等，都可以作为固态金属中的扩散例子。为了进一步证实固态扩散的存在，可作下述试验：把的存在，可作下述试验：把Cu，Ni两根金属棒对焊在一起，在焊接两根金属棒对焊在一起，在焊接面上镶嵌上几根钨丝作为界面标志然后加热到高温并保温很长时间后，面上镶嵌上几根钨丝作为界面标志然后加热到高温并保温很长时间后，令人惊异的事情发生了：作为界面标志的钨丝向纯令人惊异的事情发生了：作为界面标志的钨丝向纯Ni一侧移动了一段一侧移动了一段距离。经分析，界面的左侧（距离。经分析，界面的左侧（Cu）也含有）也含有Ni原

4、子，而界面的右侧原子，而界面的右侧（Ni）也含有）也含有Cu原子，但是左侧原子，但是左侧Ni的浓度大于右侧的浓度大于右侧Cu的浓度，这表的浓度，这表明，明，Ni向左侧扩散过来的原子数目大于向左侧扩散过来的原子数目大于Cu向右侧扩散过来的原子数向右侧扩散过来的原子数目。过剩的目。过剩的Ni原子将使左侧的点阵膨胀，而右边原子减少的地方将发原子将使左侧的点阵膨胀，而右边原子减少的地方将发生点阵收缩，其结果必然导致界面向右漂移。以上是关于生点阵收缩，其结果必然导致界面向右漂移。以上是关于KIrkendall效应的另一个试验。效应的另一个试验。 柯肯达尔效应柯肯达尔效应 扩散前后：碳在铁中的扩散是间隙型

5、溶质原子的扩散，在这种情况下可以不涉及溶剂铁碳在铁中的扩散是间隙型溶质原子的扩散，在这种情况下可以不涉及溶剂铁原子的扩散，因为铁原子扩散速率与原子直径都较小，对较易迁移的碳原子原子的扩散，因为铁原子扩散速率与原子直径都较小，对较易迁移的碳原子的扩散速率比较而言可以忽略的。然而对于置换型溶质原子的扩散，由于溶的扩散速率比较而言可以忽略的。然而对于置换型溶质原子的扩散，由于溶剂与溶质原子的半径相差不会很大，原子扩散时必须与相邻原子间作置换，剂与溶质原子的半径相差不会很大，原子扩散时必须与相邻原子间作置换，两者的可动性大致趋于同一数量级，因此，必须考虑溶质和溶剂原子不同的两者的可动性大致趋于同一数量

6、级，因此，必须考虑溶质和溶剂原子不同的扩散速率，这首先是被柯扩散速率，这首先是被柯肯达尔肯达尔（kirkendall）等人证实。）等人证实。1947年，他们设年，他们设计了一个试验，在质量分数为计了一个试验，在质量分数为30%的黄的黄铜块铜块上镀一层铜，并在铜和黄上镀一层铜，并在铜和黄铜界铜界面面上预先放两排上预先放两排Mo丝。将该样品经过丝。将该样品经过785扩散退火扩散退火56d后，发现上下两排后，发现上下两排Mo丝的距离丝的距离L减小了减小了0.25mm，并且在黄铜上留有一些小洞。假如，并且在黄铜上留有一些小洞。假如Cu和和Zn的扩的扩散系数相等，那么以原散系数相等，那么以原Mo丝平面为

7、分界面，两侧进行的是等量的丝平面为分界面，两侧进行的是等量的Cu和和Zn原原子互换，考虑到子互换，考虑到Zn的原子尺寸大于的原子尺寸大于Cu原子，原子，Zn的外移会导致的外移会导致Mo丝（标记面）丝（标记面）向黄铜一侧移动，但经计算移动量仅为观察值的向黄铜一侧移动，但经计算移动量仅为观察值的1/10左右。由此可见，两种左右。由此可见，两种原子尺寸的差异不是原子尺寸的差异不是Mo丝移动的主要原因，这只能是在退火时，因丝移动的主要原因，这只能是在退火时，因Cu，Zn两种原子的扩散速率不同，导致了由黄铜中扩散出的两种原子的扩散速率不同，导致了由黄铜中扩散出的Zn的通量大于铜原子扩的通量大于铜原子扩散

8、进入的通量。这种不等量扩散导致散进入的通量。这种不等量扩散导致Mo丝移动的现象称为丝移动的现象称为Kirkendall Effect（柯肯达尔效应）。以后，又发现了多种置换型扩散偶中都有柯肯达尔效应，（柯肯达尔效应）。以后，又发现了多种置换型扩散偶中都有柯肯达尔效应，例如，例如，Ag-Au，Ag-Cu,Au-Ni,Cu-Al,Cu-Sn及及Ti-Mo。 扩散的机理 对于不同的晶体结构的金属材料来说，原子的跳动方式可能不同，及扩散的机制可能随晶体结构的不同而变化，对于固态金属来说，扩散机构汉族要有两种 （1）空位扩散机制 （2）间隙扩散机制 原因：原子扩散不仅由原子的热运动控制，也由晶体的结构制

9、约。固态金属扩散的条件 固态扩散室在晶体点阵中进行的原子跃迁过程，但只有大量原子的跃迁才能表现出宏观的物质传输结果，这就需要一定条件。 （一）扩散需要驱动力 （二）扩散原子要固溶 （三）温度要足够高 （四）时间要足够长 固态扩散的分类 一）根据扩散过程中是否发生浓度变化分类 1、自由扩散 2、互（异）扩散 二)根据扩散方向是否和浓度梯度的方向相同进行分类 1、下坡扩散 2、上坡扩散 三）根据扩散过程中是否出现新相进行分类 1、原子扩散 2、反应扩散反应扩散的特点 反应扩散的特点是在相界处产生浓度突变，突变浓度正好对应与相图中的相的极限溶解度，如图8-9所示： 1、原因：F=C-P+1解释 2、

10、当扩散温度一定时，则F=C-P,因此在单相区，自由度为1，浓度可以改变，存在可变的浓度梯度。 3、在两相区，自由度为0，各相浓度不能改变，其大小分别相当于与其邻间的单相区的浓度， 4、每种组元的化学位在两相区个点相等，即，不存在化学位梯度，扩散失去动力，二元系的扩散中不可能存在两相区。扩散定律菲克定律菲克定律： 是描述气体扩散现象的宏观规律，包括两个内容：（1）菲克第一定律）菲克第一定律：早在1855年，菲克就提出了：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（称为扩散通量Diffusion flux，用J表示）与该截面处的浓度梯度(Concentration gradient)

11、成正比，也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大。这就是菲克第一定律。（2）菲克第二定律：）菲克第二定律：是在第一定律的基础上推导出来的。菲克第二定律指出，在非稳态扩散过程中，在距离x处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值。 菲克第一定律只适应于和J不随时间变化稳态扩散稳态扩散(Steady-state diffusion)的场合（见图3.7-1）。对于稳态扩散也可以描述为：在扩散过程中，各处的扩散组元的浓度C只随距离x变化，而不随时间t变化，每一时刻从前边扩散来多少原子，就向后边扩散走多少原子，没有盈亏，所以浓度不随时间变化。实际上，大多数扩散过程都是在非稳态非稳态条件下进行的。非稳态扩散非稳态扩散(Nonsteady-state diffusion)的特点是：在扩散过程中，J随时间和距离变化。通过各处的扩散通量J 随着距离x在变化，而稳态扩散的扩散通量则处处相等，不随时间而发生变化。对于非稳态扩散，就要应用菲克第二定律了。 扩散的应用举例 (1)、铸锭件的均匀化退火均匀化退火是将钢加热到略低于固相线温度（Ac3或Accm以上150-300），长时间保温（10-15h），然后随炉冷却，以使钢的化学成分和组织均匀化。均匀化退火能耗高，易使晶粒粗大。为细化晶粒，均匀化退火后应进行完全退火或正火。这种工艺主要用于质量要求高的和精钢铸锭、铸件或