材料科学基础-扩散..

三、固溶体相类型
间隙原子的扩散激活能Q <置换式原子 的 ；扩散速度比较快。 问题：渗碳应当在α-Fe中还是在γ-Fe中进行？
四、晶体缺陷
一定晶体结构，扩散速度是：表面>晶 界>亚晶界>晶内；且温度越高，其差 异越小 ！ 原因：晶体缺陷！晶界,位错等扩散激 活能小,有利扩散。
思考： 冷加工与退火金属的扩散速率谁大？
扩散定义： 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。(移动距离超过平均原子间距 )
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， 部分原子越过能垒；当大量原子不断克服原子之间 能垒，跃迁到邻近位置时，即实现宏观的物质迁移过 程。 阻 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——与温度有关
粉末冶金烧结 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
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
三、扩散应用举例来自百度文库 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λ不变
即边界条件： (x=0)
=0
最大值
有：
若均匀化后，成分偏析振幅降低1%，此时：
均匀化退火的时间与枝晶间距、扩散系数关系
金属的粘结
钎焊——只钎料熔化, 相 互扩散形成牢固结合
钎料成分向基材扩散量按 扩散第一定律计算：
J = - D· dC/dx
J ：扩散通量，(g/c㎡· s) D：扩散系数(c㎡/s) dC/dx：浓度梯度 第一定律适于稳态扩散，如气体通过金 属薄膜且不与金属发生反应时
C C1
Ⅰ
Ⅱ
J dx x
C2
x+dx
x
二 、 扩散第二定律（菲克第二定律） 非稳态扩散： 各处浓度随时间、距离变化，即C(x, t) 或dC/dt≠0; 如图，物质积存速率 微体积Adx内物质积存速率用体积浓度C变化率表示：
五、化学成分
加入合金元素影响熔点时 若使合金熔点或液相线降低，合金元素会促进扩散系数增加。 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 的扩散激活能Q，影响扩散激活能D。
合金元素对碳在γ-Fe中扩散系数影响
形成碳化物的元素 如：W、Mo、Cr等，阻 止碳扩散。 不能形成稳定碳化物 如：Mn易溶解于碳化物中 对碳扩散影响不大。 溶于固溶体元素 如：Co、Ni提高碳扩散系 数，Si降低碳扩散系数。
交换机制
环形机制
空位机制
松弛机制
简单间隙机制
推填子间隙机制
非共线推填子
哑铃间隙扩散
挤列扩散机制
哑铃转位扩散
三、固态金属扩散的条件 ① 存在扩散驱动力——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、 电场梯度、磁场梯度等也可以引起扩散(热力学) ② 扩散原子与基体固溶——（前提条件） ③ 温度足够高——温度越高，跃迁几率大（动力学） ④ 足够长时间——扩散1mm距离，必须跃迁亿万次 （宏观迁移的动力学条件）
原子扩散激活能Q取决于原子结合能，即键能，高熔点金 属扩散激活能较高。 不同晶体结构具有不同的扩散系数；致密型 的, Q↑ D↓; 例 如：912℃ Dα -Fe ≈240Dγ-Fe;通常在奥氏体区渗碳原因：①奥氏 体溶碳能力远大于铁素体; ②温度高扩散系数大，有利于增大 渗碳层！ 原子扩散各向异性；如:400 ℃密排六方Zn,平行和垂直基面 方向D相差200倍 ！
第八章
扩散
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 化等过程 气、液 态——对流、扩散、（带电粒子迁移） 固态 ——扩散（唯一机制）
本章重点 :
(1) 扩散的概念与本质
(2) 固态金属扩散的条件 (3) 影响扩散的因素
§1 扩散概述
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 也存在扩散，但固体扩散速率十分缓慢，如柯肯达 尔效应：（置换互溶的组元）
【要点】扩散的驱动力——化学位梯度，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 向似顺着浓度梯度方向。此外，温度梯度、应力梯度、 电场梯度、磁场梯度等作用下也可发生上坡扩散。
根据扩散中是否析出新相分类
① 原子扩散——扩散时晶格类型不变，无新相产生
② 反应扩散——溶质超过固溶度，扩散中有新相产生
反应扩散可依据相图分析。如：1000℃下Fe-O相图 由外至里依次：Fe2O3，Fe3O4, FeO，最后γ-Fe
反应扩散在相界面处产生浓度突变(极限溶解度)； 依据相律可知，二元系扩散层中不可能存在两相区
§2 扩散定律
一、菲克第一定律
各处体积浓度C只随距离x变化, 即单位时间通过垂直截面物质量J 各处相等（稳定扩散）：
Have a break
A
化简：
将扩散第一定律代入：
适于非稳态 即 dC/dt≠0
扩散第二定律（菲克第二定律）表达式:
D为常数时： 注意： (1) 非稳态扩散——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 立边界条件、初始条件以及C 表达式的推测，给出 特殊的解。
——常见几种解参考卢光熙《金属学教程》上海科技出版社
四、固态扩散的分类
通常扩散伴随浓度变化, 且高浓度→低浓度，但 实际上：并非一定如此
例如： 纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长大(晶界的 迁移)——扩散中无浓度变化； 又如： 奥氏体转变为珠光体时： 奥氏体转变为渗碳体时碳由低浓度的奥氏体向 高浓度的渗碳体扩散 ——扩散的种类（类型）不同
根据扩散中是否发生浓度变化分类
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 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——扩散
设存在纯金属8列原子，中间四列原子含有4个同位素原子，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 扩散不仅由原子热运动所控制，而且还要受具体的 晶体结构所制约；即扩散机制随晶体结构不同而变化 两种主要机制： (1) 空位扩散—主要机制 如：自扩散，置换扩散 (2) 间隙扩散—小原子 如：碳在奥氏体中扩散
§3 影响扩散的因素
单位时间扩散量与扩散系数和浓度梯度有关 D = D0· exp(-Q/RT) J = - D· dC/dx → 参数： D; dC/dx 其中：
(1) 温度
温度是影响扩散最主要的因素。T↑，D↑ (指数关系) 原因：温度升高，原子振动↑，能量起伏↑；空位数目↑
二、键能和晶体结构
1100℃下Cu钎焊铁基材时
根据相图判断钎焊组织。钎料B与母材A，若存在化合物 ，T1下母材向钎料中溶解，界面达C,出现γ金属化合物。 钎料B与母材A形成共晶相图，B在A中若超过溶解度极限 在晶界上形成低熔点共晶体。

镀锌——洗净的钢板浸入450℃熔融锌槽若干分钟。根据相 图分析镀层组织：锌镀层由表至里为Zn、θ、ξ、ε、α五个单 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 。
① 自扩散——扩散中无浓度变化，即：扩散与浓 度梯度无关。如：纯金属以及均匀固溶体中晶 粒的长大 ② 互(异)扩散——伴随有浓度变化的扩散，即扩散 与浓度梯度有关，又称化学扩散；如:不均匀固 溶体均匀化过程中异类原子的相对扩散、互相 渗透过程等。
根据扩散方向与浓度梯度方向是否相同分类 ① 下坡扩散——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 程、渗碳等。 ② 上坡扩散——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:奥氏体转变为珠光 体时，