金属材料学-固态的扩散

第六章材料中的扩散扩散：由于热运动而导致原子（或分子）在介质中迁移的现象称为。研究扩散的意义:扩散是在固体中质量传输的唯一途径；扩散是影响材料的微观组织和性能的重要过程因素。扩散对于材料的加工过程具有重要影响第一节扩散概述一扩散的现象与本质扩散：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。扩散现象：柯肯达尔效应。扩散本质：原子无序跃迁的统计结果。（不是原子的定向移动）。二扩散的分类1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迁移的扩散。（如纯金属或固溶体的晶粒长大。无浓度变化0）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）2根据扩散方向下坡扩散：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。3根据是否出现新相原子扩散：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。4固态扩散的条件(1)温度足够高;(2)时间足够长;扩散原子能固溶;(4)具有驱动力:化学位梯度第二节扩散定律一菲克(FickA)第一定律1第一定律描述：单位时间内通过垂直于扩散方向的某一单位面积截面的扩散物质流量(扩散通量J)与浓度梯度成正比。2表达式：J=~D(dc/dx)o(C一溶质原子浓度;D-扩散系数。)63适用条件：稳态扩散一dc/dt=O,浓度及浓度梯度不随时间改变。负号的含义：扩散方向与浓度梯度相反。cZcl雜面;IOIH◎7二菲克第二定律一般：9C/dt=8(D3C/5X)/8xf一维表达式特殊：5C/at=D52C/ax2L三维5C/5t=D(52/ax2+52/0y2+52/5z2)C稳态扩散：ac/at=o,dj/dx=o。适用条件非稳态扩散：dC/dt^Q,dJ/dx^Q(dC/dt=~dJ/dx)菲克第二定律的一维表达式=a(z>扩散系数D—般与浓度c有关。若无关则有12dide6.de、32c一Z-X()—Stdxdx6x2.―►■―►ji_J29三科肯道尔（Kirkendall）效应1科肯道尔现象置换方式进行扩散的过程。（双向互扩散过程）（铜镍的互扩散。两种原子的尺寸接近，扩散以置换互熔的方式进行）上述扩散出现两种情况：1界面不移动，2界面移动原因：扩散速率不同，扩散系数不同。2达肯方程假设（1）组元间的扩散互不干涉（2）扩散过程中空位浓度保持不变（3）扩散驱动力为浓度梯度=—(^*2

Z>j+仍)Sx5x1）自扩散纯物质晶体中的扩散称自扩散。特点：不存在浓度梯度，自扩散产生晶体中原子的无规律随机运动。2）稀固溶体第三节扩散的微观机理与现象一扩散机制1间隙机制r间隙一间隙；_平衡位置一间隙一间隙：较困难;I~间隙一篡位一结点位置。（间隙溶体中间隙原子的扩散机劁。）13溶质殷了洧剂原子宇位a空位机制瑢质原〒溶剂原子b间隙机制c自间隙机制142空位机制方式：原子跃迁到与之相邻的空位;条件：原子近旁存在空位。（金属和置换固溶体中原子的扩散）■OT1¥1在自扩散或置换原子参与的扩散（置换扩散）过程中，扩散原子离开自己的点阵位置去填充空位，而原先的点阵位置形成了新的空位。该机制形成科肯道而效应153填隙机制——/本应处于点阵位置的原子有时会出现在间隙位置。它们将邻近点阵原子挤到间隙中，并取而代之。4换位机制直接换位（所需能量较髙环形换位资唼校位环形拽位特点：以此类机制换位的结果必然是通过界面流入和流出的原子数目相等，不可能产生科肯道尔效应（所需能量较高。）16二、原子热运动与晶体中的扩散1原子扩散的阻力宏观扩散流是由大量原子迁移产生的，而原子迁移则是其热运动的统计结果。扩散的阻力：原子推开某些邻近的原子引起瞬间畸变。即能垒172原子扩散和热运动的关系假设条件①在给定条件下发生扩散的溶质原子跳到其相邻位置的频率（简称越迁频率）为「；②任何一次溶质原子跳到使其从一个界面I越迁至相邻晶面的几率为P;③晶面I和II上的扩散原子的面密度分别为nl和n2,则依据统计规律可知：晶面I越迁至晶面II的原子晶面II越迁至晶面I上的原子i^n=

St

n^i=

n2沒则扩散通量:</=（«i-n2）pV-a2pV—=^D—oxox则扩散系数:相邻晶粒间原子迁移D=a2

尸F193原子跃迁的距离假设：①只允许原子做距离为的越迁；②原子在每个方向上越迁几率相等。即每次越迁与前一次越迁无关。原子跃迁距离表示为:204原子扩散的激活能与扩散系数扩散激活能Q:原子跃迁时所需克服周围原子对其束缚的势垒。间隙扩散扩散激活能与扩散系数的关系D=Doexp(-Q/RT)DO：扩散常数。空位扩散激活能与扩散系数的关系D=Doexp（~AE/kT）AE=AEf（空位形成功）+AEm（空位迁移激活能）C^ooOOOCHDO/\O^Oa)b)7«曲心立方晶体的间除扩败机制n（100）曲胜子《列b）埘霣地子迁体过®的自由衢变化三界面扩散通过晶界或者相界的扩散。（前述为体扩散）特点：1）晶体表面，原子沿表面的迁移受周围点阵原子的作用较小，因此具有更大的可动性2）DL〈DB〈DS，DL，DB,DS分别表示体扩散，晶界扩散和表面扩散的扩散系数。P■：•組的体权抵和6牧第四节扩散驱动力一扩散驱动力■■通常认为是浓度梯度，但有许多现象违背上述结论。根据热力学理论，在本质上扩散的真正驱动力是化学位梯度真正驱动力—►化学醐度24对于多元体系，设n为组元i的原子数，则在等温等压条件下，组元i原子的自由能可用化学位表示：|Ji=dG/dni扩散的驱动力为化学位梯度，即i/dx负号表示扩散驱动力指向化学位降低的方向。二扩散系数扩散阻力：基体原子对扩散原子的阻力组元i原子的平均移动速率Vi和驱动力之间存在如下关系vt

==-Bi

-~LBi-/组元原子迁移率，即单位驱动力作用下组元i原子的运动速率。26组元i的扩散通量与其浓度及宏观平均运动速率之间关系溶液热力学=/7,°-i-kTXncx,=+A:Tln/.c727组元i的扩散系数可表示为Di=KTBi(1+9lnyi/5lnxi)其中，⑽liryi/dlnxi)称为热力学因子。当｛1+dIrryi/dlnxi)〈喊，久〈0——上坡扩散。2S三上坡扩散概念：原子由低浓度处向高浓度处迁移的扩散。驱动力：化学位梯度。条件；热力学因子<0>Di<0,发生上坡扩敦其它引起上坡扩散的因素:(1)弹性应力的作用一大直径原子跑向点阵的受拉部分，小直径原子跑向点阵的受压部分。(2)晶界的内吸附：某些原子富集在晶界。(3)电场作用：大电场作用可使原子按一定方向扩散。29第五节反应扩散一定义扩散使固熔体内的溶质组元超过固熔极限而不断形成新相的扩散过程.（有新相生成的扩散过程、）别名，相变扩散举例:氧