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1、第四章第四章固体中原子及分子的运动固体中原子及分子的运动物质的传输方式物质的传输方式气体：气体：扩散扩散+对流对流固体：固体：扩散扩散液体：液体：扩散扩散+对流对流金属金属陶瓷陶瓷高分子高分子键属金键属金离离子子键键共价键共价键扩散机制不同扩散机制不同本本章章内内容容 扩散的表象理论扩散的表象理论 扩散的原子机制扩散的原子机制 影响扩散的因素影响扩散的因素概概述述扩散扩散扩散扩散(diffusion)(diffusion)原子或分子的迁移现象称为扩散。原子或分子的迁移现象称为扩散。扩散是固体中原子迁移的唯一方式。扩散是固体中原子迁移的唯一方式。一、扩散现象和本质一、扩散现象和本质一、扩散现象和
2、本质一、扩散现象和本质 扩散的本质是原子依靠热运动从一个位置迁移到扩散的本质是原子依靠热运动从一个位置迁移到另一个位置。另一个位置。柯肯达尔效应（柯肯达尔效应（柯肯达尔效应（柯肯达尔效应（kirkendalleffectkirkendalleffect）激活能（激活能（激活能（激活能（activationenergyactivationenergy）跃迁（跃迁（跃迁（跃迁（jumpmigrationjumpmigration）醉步（醉步（醉步（醉步（RandomwalkRandomwalk）二、固态金属扩散的条件二、固态金属扩散的条件二、固态金属扩散的条件二、固态金属扩散的条件由于固态金属中原
3、子间结合力比气体、液体大得多，其扩散也由于固态金属中原子间结合力比气体、液体大得多，其扩散也不易、需具备下列条件才能扩散不易、需具备下列条件才能扩散: 1 1、温度（、温度（、温度（、温度（T T）要足够高。）要足够高。）要足够高。）要足够高。只有只有T足够高，才能使原子具有足够足够高，才能使原子具有足够的激活能，足以克服周围原子的束缚而发生迁移。如的激活能，足以克服周围原子的束缚而发生迁移。如Fe原子原子在在500以上才能有效扩散，而以上才能有效扩散，而C原子在原子在100以上才能在以上才能在Fe中扩散中扩散 2 2、时间、时间、时间、时间(t)(t)要足够长。要足够长。要足够长。要足够长。
4、扩散原子在晶格中每一次最多迁移扩散原子在晶格中每一次最多迁移0.30.5nm的距离，要扩散的距离，要扩散1的距离，必须迁移近亿次。的距离，必须迁移近亿次。 3 3、扩散原子要能固溶。、扩散原子要能固溶。、扩散原子要能固溶。、扩散原子要能固溶。扩散原子在基体金属中必须有一定的扩散原子在基体金属中必须有一定的固溶度固溶度,能溶入基体组元晶格能溶入基体组元晶格,形成固溶体形成固溶体,才能进行固态扩散。才能进行固态扩散。 4 4、扩散要有驱动力（、扩散要有驱动力（、扩散要有驱动力（、扩散要有驱动力（drivenforcedrivenforce）。）。）。）。实际发生的定向扩散过实际发生的定向扩散过程都
5、是在扩散驱动力作用下进行的。程都是在扩散驱动力作用下进行的。三、固态扩散的分类三、固态扩散的分类三、固态扩散的分类三、固态扩散的分类 1 1、按浓度变化、按浓度变化、按浓度变化、按浓度变化 自扩散（自扩散（self-diffusion)互（异）扩散互（异）扩散(mutualdiffusion) 2 2、按是否与浓度梯度（、按是否与浓度梯度（、按是否与浓度梯度（、按是否与浓度梯度（concentrationgradientconcentrationgradient）一致）一致）一致）一致 上坡扩散上坡扩散(uphilldiffusion)下坡扩散下坡扩散(downhilldiffusion) 3
6、 3、按是否出现新相、按是否出现新相、按是否出现新相、按是否出现新相原子扩散原子扩散(atomicdiffusion)反应扩散反应扩散(reactiondiffusion)4.1表象理论(Phenomenologicallaws)扩散扩散(diffusion):在在一个相内因分子或原子的热激活运动导一个相内因分子或原子的热激活运动导致成分混合或均匀化的分子动力学过程。致成分混合或均匀化的分子动力学过程。当外界提供能量时，固体金属中原子或分子偏离平衡位置的周当外界提供能量时，固体金属中原子或分子偏离平衡位置的周当外界提供能量时，固体金属中原子或分子偏离平衡位置的周当外界提供能量时，固体金属中原子
7、或分子偏离平衡位置的周期性振动，作或长或短距离的跃迁的现象。期性振动，作或长或短距离的跃迁的现象。期性振动，作或长或短距离的跃迁的现象。期性振动，作或长或短距离的跃迁的现象。完全混合部分混合时间加入染料水高碳含量区域低碳含量区域碳的扩散方向Fe-C合金4.1.1菲克第一定律(Ficksfirstlaw)J = -Dddx稳态扩散J:扩散通量扩散通量(massflux),kg/(m2 s)D:扩散系数扩散系数(diffusivity),m2/s :质量浓度，质量浓度，kg/m3:浓度梯度浓度梯度12dxJ(12)描述在稳态条件下的扩散（描述在稳态条件下的扩散（steadystatediffusi
8、onsteadystatediffusion),即各处浓度不随时间变化即各处浓度不随时间变化,只随距离变化而变化只随距离变化而变化.内容：在单位时间内通过垂直扩散方向的单位截面内容：在单位时间内通过垂直扩散方向的单位截面积上的积上的扩散物质通量扩散物质通量扩散物质通量扩散物质通量(diffusionfluxes)(diffusionfluxes)与该截面处的与该截面处的浓度梯度成正比浓度梯度成正比.表达式表达式:J=Dd/dx扩散系数扩散系数扩散系数扩散系数D D（diffusioncoefficientdiffusioncoefficient）: :描述扩散速度描述扩散速度的物理量。它等于浓
9、度梯度的物理量。它等于浓度梯度(concentiontrationgradient)为为1时在时在1秒内通过秒内通过1面积的物质质量或面积的物质质量或原子数。原子数。D越大越大,则扩散越快则扩散越快.稳态扩散下的菲克第一定律的应用稳态扩散下的菲克第一定律的应用-扩散系数的测定：扩散系数的测定： 其其中中一一种种方方法法可可通通过过碳碳在在-Fe-Fe中中的的扩扩散散来来测测定定纯纯FeFe的的空空心心园园筒筒，心心部部通通渗渗碳碳气气氛氛，外外部部为为脱脱碳碳气气氛氛，在在一一定定温温度度下下经经过一定时间后，碳原子从内壁渗入，外壁渗出。过一定时间后，碳原子从内壁渗入，外壁渗出。平视方向俯视方
10、向应用：测定碳在应用：测定碳在 -Fe中的扩散系数中的扩散系数2r2l2r12r12r2lr1000CC碳原子从内壁渗入，外壁渗出达到平衡时，则为稳态扩散碳原子从内壁渗入，外壁渗出达到平衡时，则为稳态扩散单位面积中碳流量：单位面积中碳流量： J=q/J=q/（AtAt）=q/=q/（2rLt2rLt） A A：圆筒总面积，：圆筒总面积，r r及及L L：园筒半径及长度，：园筒半径及长度，q q：通过圆筒的碳量：通过圆筒的碳量则则 J=q/J=q/（AtAt）=q/=q/（2rLt2rLt）=-D=-D（ d d/dx/dx） =-D=-D（ d d/dr/dr）即即q = -Dq = -D（2
11、rLt2rLt）d d/dlnr /dlnr q q、L L、t t可测得。可测得。 q q可可通通过过炉炉内内脱脱碳碳气气体体的的增增碳碳求求得得，再再通通过过剥剥层层法法测测出出不不同同r r处的碳含量，作出处的碳含量，作出C-lnrC-lnr曲线可求得曲线可求得D D。 第第一一定定律律可可用用来来处处理理扩扩散散中中浓浓度度不不因因时时间间变变化化的的问问题题，如如有些气体在金属中的扩散。有些气体在金属中的扩散。4.1.2菲克第二定律菲克第二定律(Fickssecondlaw)xx1x2dxJ1J2J1J2通量质量浓度扩散通量为扩散通量为J1的物质的物质经过体积元后的变化经过体积元后的
12、变化通量和距离的瞬时关系通量和距离的瞬时关系浓度和距离的瞬时变化浓度和距离的瞬时变化A解决溶质浓度随时间变化的情况，解决溶质浓度随时间变化的情况，非稳态扩散非稳态扩散d /dt 0在体积元在体积元(Adx)内内J1AJ2A=J1A+体积元内扩散物质质量的积存速率：体积元内扩散物质质量的积存速率：积存速率积存速率= 流入速率流入速率- 流出速率流出速率菲克第二定律菲克第二定律若若D与浓度无关，则：与浓度无关，则：对三维各向同性的情况：对三维各向同性的情况：描述描述非稳态扩散（非稳态扩散（非稳态扩散（非稳态扩散（nonsteadystatediffusionnonsteadystatediffus
13、ion）。）。）。）。在扩在扩散过程中各处的浓度都随时间变化而变化散过程中各处的浓度都随时间变化而变化,因而通过各因而通过各处的扩散流量不再相等而随距离和时间发生变化。处的扩散流量不再相等而随距离和时间发生变化。表达式表达式:若若D与浓度无关，则表达式与浓度无关，则表达式:4.3式（式（P130）三维扩散情况且三维扩散情况且D是各向同性，则表达式是各向同性，则表达式:4.4式式扩散是由于浓度梯度引起称为化学扩散。扩散是由于浓度梯度引起称为化学扩散。扩散是由于浓度梯度引起称为化学扩散。扩散是由于浓度梯度引起称为化学扩散。扩散是不依赖于浓度梯度，仅由热振动而产生的称为扩散是不依赖于浓度梯度，仅由热
14、振动而产生的称为扩散是不依赖于浓度梯度，仅由热振动而产生的称为扩散是不依赖于浓度梯度，仅由热振动而产生的称为自扩散。自扩散。自扩散。自扩散。4.1.3扩散方程的解扩散方程的解应用应用第一定律第一定律求解一阶微分方程求解一阶微分方程第二定律第二定律设置中间变量求通解设置中间变量求通解(高斯解高斯解Gausssolution、误差函数解误差函数解errorfunctionsolution、正玄解、正玄解sinusoidalsolution)，解微分方程初始条件，边界条件求方程式。，解微分方程初始条件，边界条件求方程式。1. 1.两端成分不受扩散影响的扩散偶（两端成分不受扩散影响的扩散偶（两端成分不
15、受扩散影响的扩散偶（两端成分不受扩散影响的扩散偶（diffusioncouplediffusioncouple） 无限大物体中的扩散无限大物体中的扩散 焊接过程焊接过程焊接过程焊接过程 设：设：1 1）两根无限长）两根无限长A A、B B合金棒，各截面浓度均匀，合金棒，各截面浓度均匀，浓度浓度 2 2 1 1 2 2）两合金棒对焊，扩散方向为）两合金棒对焊，扩散方向为x x方向方向 3 3）合金棒无限长，棒的两端浓度不受扩散影响）合金棒无限长，棒的两端浓度不受扩散影响 4 4）扩散系数）扩散系数D D是与浓度无关的常数是与浓度无关的常数根据上述条件可写出初始条件及边界条件根据上述条件可写出初始
16、条件及边界条件初始条件：初始条件：t=0t=0时时, x0, x0则则 = = 1 1，x0, xDcuDcu。进一步研究发现，进一步研究发现，进一步研究发现，进一步研究发现，Cu-Cu-黄铜分界面黄铜侧出现宏观疏孔，黄铜分界面黄铜侧出现宏观疏孔，黄铜分界面黄铜侧出现宏观疏孔，黄铜分界面黄铜侧出现宏观疏孔，这是由于扩散中黄铜中这是由于扩散中黄铜中这是由于扩散中黄铜中这是由于扩散中黄铜中ZnZn向铜中扩散量大于向铜中扩散量大于向铜中扩散量大于向铜中扩散量大于CuCu原子从铜向黄原子从铜向黄原子从铜向黄原子从铜向黄铜中扩散量，黄铜中空位数多，超过平衡浓度，空位部分聚铜中扩散量，黄铜中空位数多，超过
17、平衡浓度，空位部分聚铜中扩散量，黄铜中空位数多，超过平衡浓度，空位部分聚铜中扩散量，黄铜中空位数多，超过平衡浓度，空位部分聚集形成疏松，这说明在置换式固溶体中扩散的主要机制是空集形成疏松，这说明在置换式固溶体中扩散的主要机制是空集形成疏松，这说明在置换式固溶体中扩散的主要机制是空集形成疏松，这说明在置换式固溶体中扩散的主要机制是空位扩散。位扩散。位扩散。位扩散。Cu-AuCu-Au、Cu-NiCu-Ni、Cu-SnCu-Sn、Ni-AuNi-Au、Ag-CuAg-Cu、Ag-ZnAg-Zn中均有中均有中均有中均有此现象。此现象。此现象。此现象。 置换固溶体中的扩散是置换固溶体中的扩散是Kirk
18、endall和和Darken效应的效应的结合。结合。Darken导出了置换固溶体的扩散第一定律形式：导出了置换固溶体的扩散第一定律形式：假设：组元间的扩散互不干涉；扩散过程中空位浓假设：组元间的扩散互不干涉；扩散过程中空位浓度不变；扩散驱动力为度不变；扩散驱动力为d/dx，实验获得标记漂移，实验获得标记漂移速度：速度：4.31式式引入互扩散系数引入互扩散系数(mutualdiffusioncoefficient)：则：则有有4.34式式应用：测定某温度下的互扩散系数应用：测定某温度下的互扩散系数,标记漂移速度标记漂移速度v和和d/dx可求出两种原子的扩散系数可求出两种原子的扩散系数D1和和D2
19、。4.2扩散的热力学分析扩散的热力学分析 4.2.14.2.1扩散驱动力扩散驱动力扩散驱动力扩散驱动力 浓度梯度有关的扩散：顺扩散（高浓度浓度梯度有关的扩散：顺扩散（高浓度低浓度），低浓度），下坡扩散下坡扩散逆扩散（低浓度逆扩散（低浓度高浓度），高浓度），上坡扩散上坡扩散热力学：决定组元扩散流向的是化学位热力学：决定组元扩散流向的是化学位浓度梯度与化学位梯度一致，顺扩散，成分趋于均匀，如铸锭均匀化浓度梯度与化学位梯度一致，顺扩散，成分趋于均匀，如铸锭均匀化浓浓度度梯梯度度与与化化学学位位梯梯度度不不一一致致，逆逆扩扩散散，成成分分区区域域性性不不均均匀匀，如如共共析分解。析分解。一、扩散的驱动
20、力一、扩散的驱动力扩散的驱动力扩散的驱动力F是化学势梯度是化学势梯度/x。其值可从化学势对距离的求导中得到其值可从化学势对距离的求导中得到,即：即：4.40式（式（P142）式中负号表示驱动力与化学势下降方向一致，即扩散总是向化式中负号表示驱动力与化学势下降方向一致，即扩散总是向化学位减小的方向进行。学位减小的方向进行。二、迁移率二、迁移率迁移率（迁移率（迁移率（迁移率（B)B)：单位驱动力作用下的原子扩散速度：单位驱动力作用下的原子扩散速度：单位驱动力作用下的原子扩散速度：单位驱动力作用下的原子扩散速度。据此可以导出据此可以导出D与与B的关系如下：的关系如下：4.41式（式（P142）1(l
21、nri/lnxi)称为热力学因子（称为热力学因子（thermodynamicfactor）。）。对于理想固溶体或稀固溶体对于理想固溶体或稀固溶体,则有则有D=kTBi，称为，称为NernstEinstein方程。方程。所以在理想固溶体或稀固溶体中所以在理想固溶体或稀固溶体中,不同组元的扩散速率仅取决不同组元的扩散速率仅取决于迁移率的大小。于迁移率的大小。对于一般实际固溶体对于一般实际固溶体,该结论也是正确的。该结论也是正确的。当当1(lnri/lnxi)0，D0为下坡扩散；为下坡扩散；当当1(lnri/lnxi)0,D0为上坡扩散。为上坡扩散。总之总之,决定组元扩散的基本因素为决定组元扩散的基
22、本因素为i/xi,扩散总是导致扩散组元的扩散总是导致扩散组元的减小减小,直至为零。直至为零。三、引起上坡扩散的其它因素三、引起上坡扩散的其它因素1 1）弹性应力引起的逆扩散）弹性应力引起的逆扩散 弯曲固溶体，上部受拉弯曲固溶体，上部受拉点阵常数增大，大原子上点阵常数增大，大原子上移至受拉区，下部受压点移至受拉区，下部受压点阵常数变小，小原子移向阵常数变小，小原子移向受压区，出现逆扩散。受压区，出现逆扩散。2 2）晶体缺陷造成逆扩散）晶体缺陷造成逆扩散 如如晶晶界界能能量量高高，吸吸附附异异类类原原子子能能量量可可降降低低，使使晶晶界界溶溶质质原原子子富富集集发发生生逆逆扩扩散散及及刃刃型型位位
23、错错应应力力场场下下溶溶质质原原子子被被吸吸引引到到位错周围形成位错周围形成CottrellCottrell气团。气团。扩散途径扩散途径: : 晶体点阵中的扩散途径化学位不同。这是最主要的因素。化学位不同。这是最主要的因素。1)弹性应力作用。通过上坡扩散弹性应力作用。通过上坡扩散,降低由于弹性变形增加的能降低由于弹性变形增加的能量。量。2)晶界内吸附。降低整个体系自由能。晶界内吸附。降低整个体系自由能。3)形成化合物。如形成化合物。如Fe3C形成。形成。4)特殊环境特殊环境,如强大的电场、磁场、温度场作用下如强大的电场、磁场、温度场作用下,原子按一原子按一定方向迁移。定方向迁移。 上坡扩散上坡
24、扩散上坡扩散上坡扩散(uphilldiffusion):(uphilldiffusion):沿浓度升高方向进行的扩散沿浓度升高方向进行的扩散,扩散扩散使浓度发生两极分化。使浓度发生两极分化。例如例如:液态合金的共晶转交；固溶体的共析转交；固溶体中液态合金的共晶转交；固溶体的共析转交；固溶体中新相析出及新相长大。新相析出及新相长大。4.3扩散的原子理论扩散的原子理论扩散机制扩散机制(机理机理)原子的跳跃和扩散系数原子的跳跃和扩散系数扩散激活能扩散激活能无规则行走与扩散距离无规则行走与扩散距离4.3.1扩散机制扩散机制(机理机理) 扩散机制（扩散机制（扩散机制（扩散机制（mechanismofdi
25、ffusionmechanismofdiffusion）的主要类型如图的主要类型如图4.9，主要有以下几种机制主要有以下几种机制: 1.1.交换机制交换机制交换机制交换机制 2.2.间隙机制间隙机制间隙机制间隙机制 3.3.空位机制空位机制空位机制空位机制 4.4.晶界扩散和表面扩散晶界扩散和表面扩散晶界扩散和表面扩散晶界扩散和表面扩散均匀固溶体中间隙机制和空位机制最主要。均匀固溶体中间隙机制和空位机制最主要。均匀固溶体中间隙机制和空位机制最主要。均匀固溶体中间隙机制和空位机制最主要。 1.1.交换（换位）机制（交换（换位）机制（交换（换位）机制（交换（换位）机制（exchangemechan
26、ismexchangemechanism）：）：）：）：以相邻原子交换以相邻原子交换位置进行扩散方式。位置进行扩散方式。换位方式：直接换位扩散和环形换位（换位方式：直接换位扩散和环形换位（cyclicexchange）扩散）扩散扩散需要两个或两个以上的原子协同跳动，所需能量较高。结果扩散需要两个或两个以上的原子协同跳动，所需能量较高。结果是垂直于扩散方向平面的净通量等于是垂直于扩散方向平面的净通量等于0. 2.2.间隙机制（间隙机制（间隙机制（间隙机制（interstitialmechanisminterstitialmechanism）：）：）：）：(1)间隙型溶质原子扩散从一个位置迁移到另
27、一个间隙位置的过间隙型溶质原子扩散从一个位置迁移到另一个间隙位置的过程。程。(2)置换型溶质原子间隙机制扩散有如下方式：置换型溶质原子间隙机制扩散有如下方式：a.推填机制（推填机制（interstitialcymechanism）(也叫篡位式也叫篡位式)b.挤列机制（挤列机制（crowdionconfiguration）c.跃迁机制（跃迁机制（jumpmigration）3.空位机制（空位机制（vacancymechanism）：扩散原子与空位的逆向流动扩散原子与空位的逆向流动,产生产生Kirkendall效应效应.大多数情况下原子扩散是借助空位机制。大多数情况下原子扩散是借助空位机制。4.晶
28、界扩散和表面扩散（晶界扩散和表面扩散（grainboundarydiffusionandsurfacediffusion）晶体内扩散晶体内扩散Dl晶界扩散晶界扩散DbQbQsDsDbDlQlQbQsDsDbDllnD1/T成直线关系，图成直线关系，图4.16为单、为单、多晶体的多晶体的D随变化图。从图中可以看出：随变化图。从图中可以看出：(1)单晶体的扩散系数表征晶内单晶体的扩散系数表征晶内Dl;而多晶体的而多晶体的D是晶内扩散和晶界扩散共是晶内扩散和晶界扩散共同作用的表象扩散系数。同作用的表象扩散系数。(2)对对Ag来说来说700C以上以上D单晶单晶D多；多；700C以下以下D单晶单晶D多晶
29、。多晶。(3)晶界扩散也有各向异性。晶界扩散也有各向异性。(4)晶界扩散比晶内扩散快的多。而对于间隙固溶体晶界扩散比晶内扩散快的多。而对于间隙固溶体,溶质原子半径小易扩溶质原子半径小易扩散散,其其DlDb。(5)晶体表面扩散比晶界扩散还要快。晶体表面扩散比晶界扩散还要快。晶体缺陷对缺陷起着快速通道的作晶体缺陷对缺陷起着快速通道的作晶体缺陷对缺陷起着快速通道的作晶体缺陷对缺陷起着快速通道的作用称为短路扩散用称为短路扩散用称为短路扩散用称为短路扩散(short-circuitdiffusion)(short-circuitdiffusion)。在实际生产中这几种扩散同时进行在实际生产中这几种扩散同
30、时进行,并且在温度较低时并且在温度较低时,所起的作用更大。所起的作用更大。5. 5.化学成分化学成分化学成分化学成分化学成分的影响表现在以下三方面：化学成分的影响表现在以下三方面：(1)D的大小与组元特性有关。不同金属自扩散的大小与组元特性有关。不同金属自扩散Q与其点阵中原子结合与其点阵中原子结合力有关。如力有关。如Tm高，高，Q也大也大(2)D与溶质浓度有关。与溶质浓度有关。D与关系由与关系由4.25式（式（P128）决定。）决定。(3)第三组元第三组元(或杂质或杂质)对二元合金扩散也有影响对二元合金扩散也有影响,但很复杂。有些使但很复杂。有些使D升升高高,有的使有的使D下降下降,有的不起作
31、用。有的不起作用。 例如钢中加入例如钢中加入例如钢中加入例如钢中加入Me,Me,对对对对C C在在在在rFerFe中的中的中的中的D D的影响的影响的影响的影响 (1)碳化物形成元素：如碳化物形成元素：如W、Mo、Cr等等使使D下降。下降。(2)非碳化物形成元素，但易溶于碳化物，如非碳化物形成元素，但易溶于碳化物，如Mn对对D影响不大影响不大(3)非碳化物形成元素，但能溶于非碳化物形成元素，但能溶于Fe中元素影响不同。中元素影响不同。Co、Ni等使等使D升高，升高，Si等使等使D下降。下降。6. 6.应力和磁性应力和磁性应力和磁性应力和磁性 应力应力应力应力: :(1)合金内存在应力场、应力提
32、合金内存在应力场、应力提供驱动力供驱动力F。(2)外界施加应力外界施加应力,在合金中产生弹性应力梯度在合金中产生弹性应力梯度,促进原子促进原子迁移。迁移。 磁性磁性磁性磁性: :具有磁性转变的金属在铁磁性状态下的比顺磁性具有磁性转变的金属在铁磁性状态下的比顺磁性状态下扩散慢状态下扩散慢,D小一些。小一些。 4.7反应扩散反应扩散根据扩散过程中是否出现新相进行分类：根据扩散过程中是否出现新相进行分类：根据扩散过程中是否出现新相进行分类：根据扩散过程中是否出现新相进行分类： 1. 1.原子扩散（原子扩散（原子扩散（原子扩散（atomicdiffusionatomicdiffusion）：）：）：）
33、：扩散时晶格不变扩散时晶格不变,无新相无新相产生。产生。 2. 2.反应扩散反应扩散反应扩散反应扩散( (相变扩散相变扩散相变扩散相变扩散) )（reactiondiffusionreactiondiffusion）：）：）：）：当某种元素扩散当某种元素扩散,其浓度超过基体金属的溶解度极限而其浓度超过基体金属的溶解度极限而形成新相的过程。形成新相的过程。反应扩散生成的新相与原来的基体相之间存在明显的反应扩散生成的新相与原来的基体相之间存在明显的观察面观察面,新相可以是中间相新相可以是中间相,也可以是固溶体。也可以是固溶体。反应扩散可以参考平衡相图分析形成的新相。反应扩散可以参考平衡相图分析形成
34、的新相。 4.74.7反应扩散反应扩散反应扩散反应扩散根据扩散过程中是否出现新相进行分类：根据扩散过程中是否出现新相进行分类：根据扩散过程中是否出现新相进行分类：根据扩散过程中是否出现新相进行分类： 1. 1.原子扩散（原子扩散（原子扩散（原子扩散（atomicdiffusionatomicdiffusion）：）：）：）：扩散时晶格不变扩散时晶格不变,无新相产生。无新相产生。 2. 2.反应扩散反应扩散反应扩散反应扩散( (相变扩散相变扩散相变扩散相变扩散) )（reactiondiffusionreactiondiffusion）：通过扩散形成）：通过扩散形成）：通过扩散形成）：通过扩散形
35、成新相的现象。新相的现象。当某种元素扩散当某种元素扩散,其浓度超过基体金属的溶解度极限而形成新相。其浓度超过基体金属的溶解度极限而形成新相。反应扩散生成的新相与原来的基体相之间存在明显的观察面反应扩散生成的新相与原来的基体相之间存在明显的观察面,新相可以是中新相可以是中间相间相,也可以是固溶体。也可以是固溶体。反应扩散可以参考平衡相图分析形成的新相。反应扩散可以参考平衡相图分析形成的新相。例如：纯铁在例如：纯铁在520C氮化时可由氮化时可由FeN相图分析形成新相相图分析形成新相,WN变化变化,形成新相不形成新相不同。见图同。见图4.18（P153）相：相：N在在Fe中的间隙固溶体中的间隙固溶体
36、WN0.11%相：以相：以Fe4N为基的固溶体为基的固溶体WN=5.76.1%相：相：FexNx=23WN=7.811.0% 反应扩散特点：在相界面处产生成分突变反应扩散特点：在相界面处产生成分突变反应扩散特点：在相界面处产生成分突变反应扩散特点：在相界面处产生成分突变, ,突变的浓度正好对应于相图相的极突变的浓度正好对应于相图相的极突变的浓度正好对应于相图相的极突变的浓度正好对应于相图相的极限浓度。限浓度。限浓度。限浓度。4.6离子晶体扩散离子晶体扩散离子晶体中扩散离子只能进入具有同样电荷的位置。离子晶体中扩散离子只能进入具有同样电荷的位置。扩散只能扩散只能扩散只能扩散只能依靠空位来进行依靠
37、空位来进行依靠空位来进行依靠空位来进行, ,而且空位分布有其特殊性。而且空位分布有其特殊性。而且空位分布有其特殊性。而且空位分布有其特殊性。离子晶体中空位离子晶体中空位为等量的阳离子和阴离子空位为等量的阳离子和阴离子空位,呈无序分布呈无序分布,通常称为肖脱基空通常称为肖脱基空位。位。阳离子和阴离子平衡空位分数为式阳离子和阴离子平衡空位分数为式4.64式式间隙阳离子和间隙阴离子的平衡浓度间隙阳离子和间隙阴离子的平衡浓度:4.65式式上述两式与第三章上述两式与第三章3.7式相同。式相同。扩散可以以间隙机制扩散可以以间隙机制,也可以以空位机制也可以以空位机制,扩散时扩散系数与电扩散时扩散系数与电导率
38、有关。导率有关。 离子扩散时激活能比金属原子扩散的激活能大得多，其扩散速离子扩散时激活能比金属原子扩散的激活能大得多，其扩散速离子扩散时激活能比金属原子扩散的激活能大得多，其扩散速离子扩散时激活能比金属原子扩散的激活能大得多，其扩散速率远小于金属原子的扩散速率。率远小于金属原子的扩散速率。率远小于金属原子的扩散速率。率远小于金属原子的扩散速率。本章要求的主要内容本章要求的主要内容本章要求的主要内容本章要求的主要内容1.掌握一些基本概念：掌握一些基本概念：扩散定律、扩散系数、自扩散、化学扩散、上坡扩散、下扩散定律、扩散系数、自扩散、化学扩散、上坡扩散、下坡扩散、原子扩散、反应（相变）扩散、自扩散、互（异）坡扩散、原子扩散、反应（相变）扩散、自扩散、互（异）扩散、扩散激活能，稳态扩散，非稳态扩散，扩散通量、扩散、扩散激活能，稳态扩散，非稳态扩散，扩散通量、柯肯达尔效应柯肯达尔效应2.固态金属中原子扩散的条件固态金属中原子扩散的条件3.扩散定律的内容、适应条件、解及应用扩散定律的内容、适应条件、解及应用4.扩散系数及其影响因素，扩散驱动力扩散系数及其影响因素，扩散驱动力5.固相中原子扩散的各种机制固相中原子扩散的各种机制6.扩散的分类扩散的分类
