《第三章及总结》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章及总结（70页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、p扩散的表象理论扩散的表象理论p扩散的热力学扩散的热力学p扩散的原子理论扩散的原子理论p影响扩散的因素影响扩散的因素p反应扩散反应扩散p扩散在冶金方面的应用举例扩散在冶金方面的应用举例本章的主要内容本章的主要内容p扩散：物质中原子（或分子）的迁移现象。扩散：物质中原子（或分子）的迁移现象。是一个是一个不可逆过程不可逆过程，也是，也是体系熵增过程体系熵增过程。固体金属中固体金属中同样存在扩同样存在扩散，且散，且扩散扩散是固体中物是固体中物质传递的唯质传递的唯一方式一方式。p扩散与金属的加工、使用性能之间存在密切扩散与金属的加工、使用性能之间存在密切的关系，例：的关系，例：u铸造合金消除枝晶偏析的
2、均匀化退火；铸造合金消除枝晶偏析的均匀化退火；u钢在加热和冷却时的一些相变；钢在加热和冷却时的一些相变；u金属塑变后的回复与再结晶；金属塑变后的回复与再结晶；u钢的化学热处理；钢的化学热处理；u金属的氧化、脱碳；金属的氧化、脱碳；u粉末合金的烧结等。粉末合金的烧结等。p扩散类型（金属中）：扩散类型（金属中）：u自扩散自扩散：纯金属中的扩散，如：纯金属中的扩散，如：-Fe -Fe，由，由于原子自身扩散引起晶格类型的改变。于原子自身扩散引起晶格类型的改变。u异扩散异扩散：溶质原子在溶剂金属中的扩散。：溶质原子在溶剂金属中的扩散。u互扩散互扩散：溶质原子和溶剂原子的相互扩散。：溶质原子和溶剂原子的相
3、互扩散。p研究扩散一般有两种方法：研究扩散一般有两种方法：u表象理论表象理论：根据所测量的参数描述物质传输的速率：根据所测量的参数描述物质传输的速率和数量等；和数量等；u原子理论原子理论：扩散过程中原子是如何迁移的。：扩散过程中原子是如何迁移的。第一节第一节 表象理论表象理论 主要内容主要内容p扩散第一定律扩散第一定律p扩散第二定律扩散第二定律p扩散第二定律的应用扩散第二定律的应用p置换固溶体中的扩散置换固溶体中的扩散一一.扩散第一定律（扩散第一定律（Fike第一定律）第一定律）p菲克定律是菲克定律是18551855年菲克在研究固态原子从高年菲克在研究固态原子从高浓度向低浓度扩散时给出的扩散通
4、量和浓度浓度向低浓度扩散时给出的扩散通量和浓度梯度的关系。梯度的关系。p扩散第一定律：在单位时间内通过垂直于扩扩散第一定律：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质量散方向的单位截面积的扩散物质质量( (扩散扩散通量通量) ) 与该截面处的浓度梯度成正比。其数与该截面处的浓度梯度成正比。其数学表达式又称作学表达式又称作扩散第一方程扩散第一方程。 C1C2dxJ(C1C2)J： 扩散通量，扩散通量，单位为单位为Kg/(m2 s)；D：扩散系数，：扩散系数，是反映扩散能力和是反映扩散能力和决定扩散过程的物理量，是单位浓决定扩散过程的物理量，是单位浓度梯度时的扩散通量，单位为度梯度时的
5、扩散通量，单位为cm2s； C：体积浓度，：体积浓度，即单位体积物质中即单位体积物质中扩散物质的质量或原子数。单位为扩散物质的质量或原子数。单位为g/cm3，Kg/m3 。dC/dx：沿：沿X轴的浓度梯度，轴的浓度梯度，方向方向指向浓度增加的方向。指向浓度增加的方向。负号：负号：由于扩散方向与浓度梯度方由于扩散方向与浓度梯度方向相反，负号向相反，负号表示扩散由高浓度处表示扩散由高浓度处向低浓度的方向进行向低浓度的方向进行。u适适用用范范围围：稳稳态态扩扩散散，即即在在一一定定区区域域内内，浓浓度度不不随随时间变化（时间变化（ ）。）。 u为为了了表表示示X、Y、Z三三个个方方向向的的扩扩散散，
6、扩扩散散第第一一定定律律的普遍式为：的普遍式为：二二.扩散第二定律（扩散第二定律（Fike第二定律）第二定律）对于非稳态扩散（对于非稳态扩散（dc/dt 0）：）：在体积元（在体积元（Adx）内：）内：积存速率积存速率 流入速率流入速率流出速率流出速率体积元内体积元内累积速率可表示为体积浓度随时间的变化率：累积速率可表示为体积浓度随时间的变化率：两种方式表示的累积速率相等：两种方式表示的累积速率相等：推广为三维空间普遍式：推广为三维空间普遍式：菲克第二定律菲克第二定律若若D与浓度无关与浓度无关菲克第二定律描述了：固体中由于存在菲克第二定律描述了：固体中由于存在浓度梯度浓度梯度时而时而引起的扩散
7、，称为引起的扩散，称为化学扩散化学扩散。另一方面：当扩散不依赖于浓度梯度，仅由热振动而另一方面：当扩散不依赖于浓度梯度，仅由热振动而引起时，称为引起时，称为自扩散自扩散。三三.扩散第二定律的应用扩散第二定律的应用 扩散第二定律是以浓度扩散第二定律是以浓度C为因变量，以距离为因变量，以距离X和时间和时间t为自变量的偏微分方程，此方程的解给出为自变量的偏微分方程，此方程的解给出 C=C（X，t）的解析式。的解析式。 对于非稳态扩散过程，需要对扩散第二定律按对于非稳态扩散过程，需要对扩散第二定律按所讨论的问题的初始条件和边界条件求解出不同的所讨论的问题的初始条件和边界条件求解出不同的解。解。1.无限
8、长物体中的扩散（无限长物体中的扩散（两端成分不受扩散影两端成分不受扩散影响的扩散偶响的扩散偶）u设有两根很长且截面相同的固溶体合金棒对焊连接，设有两根很长且截面相同的固溶体合金棒对焊连接，形成扩散偶。形成扩散偶。A棒的溶质浓度为棒的溶质浓度为C2，B棒的溶质浓棒的溶质浓度为度为C1。u当扩散偶经加热保温不同时间后，对焊面附近的浓当扩散偶经加热保温不同时间后，对焊面附近的浓度将发生明显变化，但其两端仍保持各自浓度。度将发生明显变化，但其两端仍保持各自浓度。边界条件：边界条件：初始条件：初始条件：无限长等截面扩散偶的扩散第二方程解为：无限长等截面扩散偶的扩散第二方程解为：erf称为误差函数，故该解
9、又称为称为误差函数，故该解又称为误差函数解误差函数解。据此可确定不同时间和距据此可确定不同时间和距界面不同距离处的浓度：界面不同距离处的浓度：当当X=0时，时，=0，erf（）=0，当当C1=0时时，2.半无限长物体中的扩散（半无限长物体中的扩散（一端成分不受扩散一端成分不受扩散影响的扩散偶影响的扩散偶）u钢铁材料的渗碳钢铁材料的渗碳：把含碳量较低的钢或不含碳的纯：把含碳量较低的钢或不含碳的纯铁工件放入渗碳介质中，加热到一定温度，保温一铁工件放入渗碳介质中，加热到一定温度，保温一定时间，使工件表层含碳量增高的操作。定时间，使工件表层含碳量增高的操作。u设一根纯铁棒，其一端在加热保温过程中进行渗
10、碳设一根纯铁棒，其一端在加热保温过程中进行渗碳碳原子沿试棒碳原子沿试棒X轴向一端单向扩散。轴向一端单向扩散。边界条件：边界条件：初始条件：初始条件： 扩散第二方程的解：扩散第二方程的解：实际渗碳时，渗碳层深度实际渗碳时，渗碳层深度X通常规定从表面测量到通常规定从表面测量到某一碳浓度处（如某一碳浓度处（如0.4C）为止，此时：）为止，此时：生产中多以低碳钢（小于生产中多以低碳钢（小于0.25碳含量）作为渗碳含量）作为渗碳工件，故当试棒存在原始浓度的情况下，扩散方碳工件，故当试棒存在原始浓度的情况下，扩散方程的解改变为：程的解改变为：渗碳层深度与扩渗碳层深度与扩散时间的关系散时间的关系3.成分偏析
11、的均匀化成分偏析的均匀化u固溶体合金在非平衡结晶时会出现枝晶偏析。即合固溶体合金在非平衡结晶时会出现枝晶偏析。即合金以树枝状结晶，先结晶的枝干含高熔点组元多，金以树枝状结晶，先结晶的枝干含高熔点组元多，后结晶的枝晶间含低熔点组元多的现象。后结晶的枝晶间含低熔点组元多的现象。u消除办法：扩散退火（均匀化退火）消除办法：扩散退火（均匀化退火）。扩散退火过程中组元浓度的变化可用扩散退火过程中组元浓度的变化可用菲克第二定律菲克第二定律来来描述：描述：欲达到完全均匀化欲达到完全均匀化( (C=C0) )和偏析峰值的衰减程度趋于零，实和偏析峰值的衰减程度趋于零，实际上是不可能的，际上是不可能的，使成分偏析
12、的振幅降到使成分偏析的振幅降到偏析峰值的偏析峰值的1( ( ) )所需的退火时间所需的退火时间t为：为：D：扩散系数；：扩散系数；：二次枝晶轴间距的二次枝晶轴间距的一半一半，即溶质浓度最高即溶质浓度最高点与最低点的距离。点与最低点的距离。可见：可见： （1）在给定温度下均匀化退火所需要的时间与）在给定温度下均匀化退火所需要的时间与的平方成正比。的平方成正比。减小原始组织中晶粒尺寸或枝晶间的减小原始组织中晶粒尺寸或枝晶间的距离距离，如加快速凝固和形变加工等，可以缩短均匀化，如加快速凝固和形变加工等，可以缩短均匀化的扩散时间。的扩散时间。 （2）均匀化退火所需要的时间与扩散系数成反比，）均匀化退火
13、所需要的时间与扩散系数成反比，退火温度升高，退火温度升高，D增大，均匀化退火所需要的时间大增大，均匀化退火所需要的时间大大缩短。大缩短。 （3）只有时间趋近于无穷大时，偏析衰减程度才）只有时间趋近于无穷大时，偏析衰减程度才趋近于零，才会完全均匀化。趋近于零，才会完全均匀化。四四.置换固溶体中的扩散置换固溶体中的扩散p同时考虑两种原子的互扩散问题同时考虑两种原子的互扩散问题p柯肯达尔效应柯肯达尔效应柯肯达尔最先于柯肯达尔最先于1947年发现互扩年发现互扩散：散：置换互溶的铜和镍棒（原子直径差置换互溶的铜和镍棒（原子直径差别小）别小） 对焊构成扩散偶对焊构成扩散偶 在其在其对焊面上嵌对焊面上嵌钼丝
14、作钼丝作标志标志 高温加高温加热和长时间保温热和长时间保温 铜、镍原子分铜、镍原子分别越过界面向对方迁移别越过界面向对方迁移 标记界标记界面钼丝向镍棒侧移动了一段距离面钼丝向镍棒侧移动了一段距离（铜侧膨胀，镍侧则相应发生收缩）（铜侧膨胀，镍侧则相应发生收缩）u柯肯达尔效应：置换互溶组元所构成的扩散偶中，柯肯达尔效应：置换互溶组元所构成的扩散偶中，由于两种原子以不同速度相对扩散，扩散通量不相由于两种原子以不同速度相对扩散，扩散通量不相等，造成标记面漂移的现象。等，造成标记面漂移的现象。u这种这种由置换互扩散速度不同而引起标记移动的不均由置换互扩散速度不同而引起标记移动的不均衡扩散现象衡扩散现象成
15、为一种普遍规律。成为一种普遍规律。u理论意义：主要是对置换扩散空位机制的证实。理论意义：主要是对置换扩散空位机制的证实。第二节第二节 扩散的热力学分析扩散的热力学分析p根据热力学分析，决定原子根据热力学分析，决定原子扩散的驱动力是扩散的驱动力是化学位梯度而不是浓度梯度化学位梯度而不是浓度梯度。u浓度梯度与化学位梯度一致，下坡扩散，成分趋于浓度梯度与化学位梯度一致，下坡扩散，成分趋于均匀，如铸锭均匀化。均匀，如铸锭均匀化。u浓度梯度与化学位梯度不一致，上坡扩散，成分区浓度梯度与化学位梯度不一致，上坡扩散，成分区域性不均匀，如共析分解。域性不均匀，如共析分解。p当系统中组元的活度或浓度沿当系统中组
16、元的活度或浓度沿X方向存在差方向存在差别时，则该组元的化学位随别时，则该组元的化学位随X不同而发生变不同而发生变化。此时组元所受化。此时组元所受扩散驱动力扩散驱动力为为：负号说明扩散驱动力与化学位负号说明扩散驱动力与化学位下降方向相同，即扩散原子向下降方向相同，即扩散原子向化学位减小方向进行。化学位减小方向进行。其中其中其中其中由于由于M与与D的正负号相同，的正负号相同，当当 时，时，J与与 方向相反方向相反当当 时，时，J与与 方向相同方向相同下坡扩散，下坡扩散，上坡扩散，上坡扩散，与菲克定律一致；与菲克定律一致；与菲克定律不相符。与菲克定律不相符。p晶体中原子的跳动与扩散晶体中原子的跳动与
17、扩散p扩散机制扩散机制p扩散系数公式扩散系数公式第三节第三节 扩散的原子理论扩散的原子理论一一.晶体中原子的跳动与扩散晶体中原子的跳动与扩散p晶体中原子的跳动晶体中原子的跳动u假设一个原子在其原始位置每次跳动的距离均为假设一个原子在其原始位置每次跳动的距离均为r，在进行，在进行n次跳动过程中引起迁移的平均距离为次跳动过程中引起迁移的平均距离为R，根据统计学规律可存在，根据统计学规律可存在 令跳动令跳动n次所需要时间为次所需要时间为t ，跳动频率为，跳动频率为 （单位（单位时间内跳动的次数），则时间内跳动的次数），则u例如，当原子跳动频率例如，当原子跳动频率 1010/S，每次跳动距，每次跳动距
18、离离r 0.1nm，经，经4小时后的平均迁移距离可按上小时后的平均迁移距离可按上式计算等于式计算等于0.12cm，即体现了原子跳动的明显宏，即体现了原子跳动的明显宏观效果。观效果。p原子的跳动频率与扩散系数原子的跳动频率与扩散系数u设晶面设晶面、（面积均为单位面（面积均为单位面积）分别含有积）分别含有n1、n2个溶质原子个溶质原子（n1 n2）。在一定温度下其）。在一定温度下其跳动频率为跳动频率为，每个原子由，每个原子由和由和由任意跳动落到任意跳动落到对面上的几率对面上的几率 P 相同，则在相同，则在t时间间隔内分别跳到时间间隔内分别跳到、两晶两晶面上的溶质原子数相应为：面上的溶质原子数相应为
19、：u晶面晶面上净增加溶质原子数相当于上净增加溶质原子数相当于t时间内的扩散时间内的扩散通量，即通量，即u设设、面间距为面间距为a ，面积均为，面积均为1。则各自的溶质。则各自的溶质原子体积浓度分别为原子体积浓度分别为C1n1a ； C2n2a 。若以溶质原子沿若以溶质原子沿X方向的浓度分布表示，则晶面方向的浓度分布表示，则晶面上的浓度可确定为：上的浓度可确定为：u与扩散第一方程与扩散第一方程 相对比：则相对比：则表明：扩散系数表明：扩散系数D同时与原子跳动频率以及每次跳同时与原子跳动频率以及每次跳动距离的平方成正比。动距离的平方成正比。原子跳动频率取决于原子本性与温度，每次跳动距离和P与晶体结
20、构有关，所所以在影响扩散系数的诸因素中以在影响扩散系数的诸因素中温度条件温度条件和和晶体结构晶体结构具有重要作用。具有重要作用。二二.扩散机制扩散机制p晶体中原子的扩散途径晶体中原子的扩散途径1表面扩散；表面扩散；2晶界扩散；晶界扩散；3位错扩散；位错扩散；4体积扩散。体积扩散。p体积扩散过程的微观机制体积扩散过程的微观机制 根据单原子的跳动方式主要有：根据单原子的跳动方式主要有：间隙扩散间隙扩散和和空位扩空位扩散散两种机制。两种机制。4 45 56 61 12 23 31直接交换直接交换2环形交换环形交换3空位空位4间隙间隙5推填推填6挤列挤列u间隙扩散机制间隙扩散机制定义：扩散原子在点阵间
21、隙位置之间的跃迁而导致定义：扩散原子在点阵间隙位置之间的跃迁而导致的扩散。的扩散。面心立方点阵中间隙扩散如图所示。实现间隙扩散的条件：实现间隙扩散的条件：结构条件：扩散原子周围具备几何间隙位置。结构条件：扩散原子周围具备几何间隙位置。能量条件：借以克服跳动时周围阵点原子的阻力。能量条件：借以克服跳动时周围阵点原子的阻力。间隙扩散时扩散系数间隙扩散时扩散系数间隙扩散机制的激活能间隙扩散机制的激活能：间隙扩散时，间隙溶质原子：间隙扩散时，间隙溶质原子从一个间隙跳动到另一个间隙所需的额外内能。从一个间隙跳动到另一个间隙所需的额外内能。激活能值取决于：激活能值取决于：物质本性物质本性、晶体点阵类型晶体
22、点阵类型、激活原激活原子种类子种类。u空位扩散机制空位扩散机制置换固溶体中的扩散模型：置换固溶体中的扩散模型：直接交换：直接交换：所需能量较大而难以实现。所需能量较大而难以实现。环形换位：环形换位：必然使通过界面流入和流出的原子数目必然使通过界面流入和流出的原子数目相等而无法解释柯肯达尔效应。相等而无法解释柯肯达尔效应。空位扩散机制：空位扩散机制：通过扩散原子与空位交换位置来实通过扩散原子与空位交换位置来实现物质宏观迁移的机制。现物质宏观迁移的机制。基于柯肯达尔效应以及实基于柯肯达尔效应以及实际晶体结构中存在着一定数量点阵空位的事实，际晶体结构中存在着一定数量点阵空位的事实，空空位扩散机制位扩
23、散机制可能成为置换固溶体互扩散和纯金属自可能成为置换固溶体互扩散和纯金属自扩散扩散唯一采取的方式唯一采取的方式。空位扩散条件：空位扩散条件：结构条件：扩散原子周围存在点阵空位。结构条件：扩散原子周围存在点阵空位。能量条件：扩散原子应具有可以超越能垒的自由能。能量条件：扩散原子应具有可以超越能垒的自由能。 铜的自扩散激活能按三种机制计算的理论值如下所示： 实验值为：Q=1.93105J/mlo，与空位机制的激活能基本相等。空位扩散激活能空位扩散激活能：由原子跳动激活能由原子跳动激活能E与空位形成与空位形成能能Ev两部分组成两部分组成 。可见，置换扩散激活能（可见，置换扩散激活能（ ）大于间隙扩）
24、大于间隙扩散激活能（散激活能（ ）。）。空位扩散时扩散系数空位扩散时扩散系数三三.扩散系数公式扩散系数公式 扩散系数公式：扩散系数公式：式中：式中： D0称为扩散常数；称为扩散常数； Q称为扩散激活能，代表每摩尔原子的激活能；称为扩散激活能，代表每摩尔原子的激活能； R为气体常数，其值为为气体常数，其值为8.314J/mol.K； T为绝对温度。为绝对温度。一般认为，一般认为， D0和和Q的大小与温度无关，只是与扩散的大小与温度无关，只是与扩散机制和材料相关。机制和材料相关。p温度温度p固溶体类型固溶体类型p晶体结构晶体结构p晶体缺陷晶体缺陷p化学成分化学成分第四节第四节 影响扩散的因素影响扩
25、散的因素p温度温度最主要的因素最主要的因素u温度越高，扩散系数越大。温度越高，扩散系数越大。u原因：原因：随着温度的升高，由于具有跳动条件的原子几率增随着温度的升高，由于具有跳动条件的原子几率增大；大；随着温度的升高，空位浓度相应增加，因而有利于随着温度的升高，空位浓度相应增加，因而有利于扩散。扩散。一一.温度温度p例如，碳在例如，碳在铁中扩散时：铁中扩散时：pQ间隙间隙D置换置换p例如：例如： C、N等溶质原子在铁中的间隙扩散激活能比等溶质原子在铁中的间隙扩散激活能比Cr、A1等溶质原于在铁中的空位扩散激活能要小得多，等溶质原于在铁中的空位扩散激活能要小得多，因此钢中渗因此钢中渗C、渗、渗N
26、 较渗较渗Cr、渗、渗Al 等金属易于进等金属易于进行。行。二二.固溶体类型固溶体类型p具有具有同素异构同素异构性的金属性的金属u所有元素在所有元素在- Fe中的扩散系数大于在中的扩散系数大于在- Fe中的中的扩散系数。扩散系数。DFe DFeu原因：在密堆积点阵中的扩散原因：在密堆积点阵中的扩散比在非密堆积点阵中比在非密堆积点阵中的慢。原子排列密度大的点阵，原子移动需要克服的慢。原子排列密度大的点阵，原子移动需要克服的原子结合力大，所需要的扩散激活能大，扩散系的原子结合力大，所需要的扩散激活能大，扩散系数小。数小。u例如：例如：三三.晶体结构晶体结构p晶体的晶体的各向异性各向异性的影响的影响
27、 一般，晶体的对称性越低，扩散各向异性越显著。一般，晶体的对称性越低，扩散各向异性越显著。u立方晶系，由于三个晶轴方向的原子排列情况相同立方晶系，由于三个晶轴方向的原子排列情况相同（如（如100晶向族），故其扩散系数基本一致。晶向族），故其扩散系数基本一致。u异向性较大的六方晶系，特别是菱方结构，其扩散异向性较大的六方晶系，特别是菱方结构，其扩散的各向异性则尤为明显。的各向异性则尤为明显。六方晶系沿平行于六方晶系沿平行于0001方向上的扩散系数小于方向上的扩散系数小于垂直于此方向的扩散系数。垂直于此方向的扩散系数。因为平行于因为平行于0001方向上的扩散，原子要通过原方向上的扩散，原子要通过原
28、子排列最密排的（子排列最密排的（0001）面。）面。p扩扩散散的的范范围围：晶晶内内、外外表表面面、晶界、相界及位错线。晶界、相界及位错线。u表表面面扩扩散散最最快快，晶晶界界次次之之，亚亚晶晶界界又次之，晶内扩散最慢。又次之，晶内扩散最慢。u外外表表面面、晶晶界界、晶晶内内扩扩散散系系数数的的相相对对差差别别与与温温度度有有关关，温温度度越越低低，差差别别越越大大。因因此此当当温温度度较较低低时时，晶晶界界扩散起着重要作用扩散起着重要作用。u在在位位错错、空空位位等等缺缺陷陷处处比比完完整整晶晶格格处处扩扩散散容容易易得得多多。特特别别在在温温度度较较低低时时（晶晶内内扩扩散散很很难难进进行
29、行时时），沿沿位位错扩散是重要过程。错扩散是重要过程。四四.晶体缺陷晶体缺陷p沿晶界扩散比晶内快的原因沿晶界扩散比晶内快的原因 晶界处的晶格畸变较大，能量较高，原子易于跳跃，晶界处的晶格畸变较大，能量较高，原子易于跳跃，扩散激活能比晶内小，原子易于扩散迁移。扩散激活能比晶内小，原子易于扩散迁移。p沿位错扩散比在完整晶格处容易的原因沿位错扩散比在完整晶格处容易的原因 位错线是晶格畸变的管道，原子沿位错扩散的激活位错线是晶格畸变的管道，原子沿位错扩散的激活能不到沿晶格扩散激活能的一半。能不到沿晶格扩散激活能的一半。p冷变形增加金属的界面和位错密度，可加速冷变形增加金属的界面和位错密度，可加速扩散。
30、扩散。p元素性质元素性质u与溶剂金属熔点、原子尺寸、在周期表中的位置差与溶剂金属熔点、原子尺寸、在周期表中的位置差别越大的元素，扩散系数越大。（或溶解度越小的别越大的元素，扩散系数越大。（或溶解度越小的溶质元素扩散越易进行。）溶质元素扩散越易进行。） 原因：与溶剂金属性质差别大的元素溶入溶剂后造原因：与溶剂金属性质差别大的元素溶入溶剂后造成的点阵畸变大，降低原子跃迁的能垒，促进扩散成的点阵畸变大，降低原子跃迁的能垒，促进扩散的进行。的进行。但是也有相反情况，目前尚缺乏完整普遍的理论。但是也有相反情况，目前尚缺乏完整普遍的理论。五五.化学成分化学成分u某些金属的自扩散激活能与熔点有关：某些金属的
31、自扩散激活能与熔点有关：溶质元素的熔点越高，其激活能越大，扩散越不易溶质元素的熔点越高，其激活能越大，扩散越不易进行。进行。原因：金属熔点越高，原子间结合力越大，原子越原因：金属熔点越高，原子间结合力越大，原子越不易离开其平衡位置，自扩散激活能越大。不易离开其平衡位置，自扩散激活能越大。p扩散组元浓度扩散组元浓度u大多数固溶体中，溶质的扩散系数大多数固溶体中，溶质的扩散系数随浓度的增加而增大。随浓度的增加而增大。碳在奥氏体中的扩散系数：随含碳碳在奥氏体中的扩散系数：随含碳量的增加，扩散系数增大。量的增加，扩散系数增大。但在但在AuNi固溶体合金中：随固溶体合金中：随Ni含量的增加，扩散系数减小
32、。含量的增加，扩散系数减小。u原因原因：随溶质增加，提高熔化温度：随溶质增加，提高熔化温度的，使扩散激活能增加，扩散系数的，使扩散激活能增加，扩散系数减小。否则相反。减小。否则相反。p第三组元的影响（影响比较复杂）第三组元的影响（影响比较复杂） 合金元素对碳在合金元素对碳在-Fe中扩散系数影响：中扩散系数影响：u形成碳化物的元素：如形成碳化物的元素：如W、Mo、Cr等，由于和碳的亲等，由于和碳的亲和力较大，能强烈阻止碳的扩散，所以和力较大，能强烈阻止碳的扩散，所以降低碳的扩散系降低碳的扩散系数数。u不能形成稳定碳化物，但易于溶解于碳化物中的元素：不能形成稳定碳化物，但易于溶解于碳化物中的元素：
33、如如Mn，对碳的扩散系数影响不大。，对碳的扩散系数影响不大。u非碳化物形成元素：如非碳化物形成元素：如Ni、Co，由于它们加入引起晶，由于它们加入引起晶格畸变，降低碳原子扩散的能垒，减小扩散激活能，而格畸变，降低碳原子扩散的能垒，减小扩散激活能，而本身不参与和碳的结合，所以本身不参与和碳的结合，所以提高碳的扩散系数提高碳的扩散系数；如；如Si，减小扩散系数，且同时影响扩散方向，发生减小扩散系数，且同时影响扩散方向，发生“上坡扩上坡扩散散”。原因：原因：Si的存在提高了的存在提高了C在在Fe中的化学位，使中的化学位，使C从从高化学位的一端向低化学高化学位的一端向低化学位一端扩散，以达到化学位一端
34、扩散，以达到化学位的平衡。位的平衡。在含碳量基本相同的两根棒之间仍然发生碳原子的扩散；在含碳量基本相同的两根棒之间仍然发生碳原子的扩散；且在界面上的扩散是朝着高浓度梯度方向进行（不含且在界面上的扩散是朝着高浓度梯度方向进行（不含Si一一端，含碳量由略低变为显著偏高；含端，含碳量由略低变为显著偏高；含Si一端，含碳量由略一端，含碳量由略高变为显著偏低）。高变为显著偏低）。可见扩散的真正驱动力是化学位梯度可见扩散的真正驱动力是化学位梯度而不是浓度梯度而不是浓度梯度。例：把例：把Fe-0.441C的合金棒和的合金棒和Fe-0.478C-3.8Si的合金棒对焊形成扩散偶。在的合金棒对焊形成扩散偶。在1
35、050扩散扩散13天后，测钢天后，测钢中碳分布。中碳分布。p反应扩散定义：通过扩散使固溶体内溶质组反应扩散定义：通过扩散使固溶体内溶质组元超过固溶度极限而不断形成新相的过程，元超过固溶度极限而不断形成新相的过程，也称为相变扩散。也称为相变扩散。p反应扩散的实例反应扩散的实例u铁的氮化铁的氮化 渗氮利用反应扩散使工件表面产生一些氮化物，增渗氮利用反应扩散使工件表面产生一些氮化物，增加耐磨性或抗疲劳性。加耐磨性或抗疲劳性。第五节第五节 反应扩散反应扩散 在二元合金经反应扩散的渗层组织中，不存在两相混合区，而且在二元合金经反应扩散的渗层组织中，不存在两相混合区，而且其相界面上的浓度是突变的（与该相在
36、一定温度下的极限溶解度相对其相界面上的浓度是突变的（与该相在一定温度下的极限溶解度相对应）。应）。 产生原因产生原因：主要与热力学平衡条件有关。如果渗层组织中出现两：主要与热力学平衡条件有关。如果渗层组织中出现两相共存区，则该相共存区，则该两平衡相的化学位必然相等，即化学位梯度等于零，两平衡相的化学位必然相等，即化学位梯度等于零，显然扩散是不可能进行的显然扩散是不可能进行的。 同理，三元系合金在反应扩散过程中，不可能出现三相共存区。同理，三元系合金在反应扩散过程中，不可能出现三相共存区。u铁在氧化介质中的氧化：铁在氧化介质中的氧化： 由表到里：由表到里：Fe2O3 Fe3O4 FeOp钢在加热
37、时的脱碳钢在加热时的脱碳p金属的粘接金属的粘接p锻件的去氢退火锻件的去氢退火第六节第六节 扩散在冶金方面的其它应用扩散在冶金方面的其它应用一一.钢在加热时的脱碳钢在加热时的脱碳p脱碳：钢铁材料在加热中，表层碳与加热介脱碳：钢铁材料在加热中，表层碳与加热介质中的脱碳气体（质中的脱碳气体（O2、H2、CO2、H2O）相互作用而烧损，造成表面含碳量下降的现相互作用而烧损，造成表面含碳量下降的现象。象。p钢加热脱碳后，含碳量分布：钢加热脱碳后，含碳量分布：u表面脱碳到零：表面脱碳到零：u表面脱碳到表面脱碳到C1：二二.金属的粘接金属的粘接p工业粘接金属的方法：工业粘接金属的方法：u焊接、电镀、包金属、
38、浸镀等焊接、电镀、包金属、浸镀等u要使金属粘接，必须发生扩散，否则就不能粘接牢要使金属粘接，必须发生扩散，否则就不能粘接牢固。固。p钎焊钎焊u方法：搭接方法：搭接 放钎料放钎料 加热到稍高于钎料熔点的加热到稍高于钎料熔点的温度温度 钎料熔化并填满母材间隙钎料熔化并填满母材间隙 钎料冷却，将钎料冷却，将零件牢固地连接起来。零件牢固地连接起来。u钎料和母材不但液态时能互溶，固态时也必须互溶，钎料和母材不但液态时能互溶，固态时也必须互溶，依靠它们的相互扩散形成牢固的金属结合。依靠它们的相互扩散形成牢固的金属结合。p如果两种金属在固态、液态不互溶：如果两种金属在固态、液态不互溶：u这两种金属不可焊；这
39、两种金属不可焊；u利用此利用此 铅浴：由于铅铅浴：由于铅不溶于铁，将铅熔化加热不溶于铁，将铅熔化加热到一定温度，加热钢铁材到一定温度，加热钢铁材料。料。三三.锻件的去氢退火锻件的去氢退火p目的：消除白点目的：消除白点由于由于D-Fe D-Fe，氢在，氢在相中的扩散速度大于在相中的扩散速度大于在相相中的扩散速度，氢在中的扩散速度，氢在相中相中的溶解度小于在的溶解度小于在相中的溶相中的溶解度，有逸出来的趋势。在解度，有逸出来的趋势。在相温度保温缓冷，使氢逸相温度保温缓冷，使氢逸出，而不在缺陷处形成分子出，而不在缺陷处形成分子态氢。态氢。p计算氢析出量的图解：计算氢析出量的图解：u=残留氢量残留氢量
40、/原始氢，原始氢，代表除氢效果。代表除氢效果。T为参数；为参数；r为锻件半径；为锻件半径；D为氢的扩散系数；为氢的扩散系数；t为退火时间。为退火时间。也可利用计算机计算氢浓度场和温度场也可利用计算机计算氢浓度场和温度场总结总结p扩散的宏观规律（表象理论）扩散的宏观规律（表象理论）p扩散的微观机制（原子理论）扩散的微观机制（原子理论）p影响扩散的因素影响扩散的因素扩散扩散定律定律扩散扩散驱动力驱动力扩散扩散第一定律第一定律扩散扩散第二定律第二定律表表象象理理论论适用：适用：稳态扩散稳态扩散适用：非适用：非稳态扩散稳态扩散三个解析解三个解析解化学位梯度化学位梯度原子原子理理 论论间隙机制间隙机制空
41、位机制空位机制扩散系数扩散系数影响扩散影响扩散的因素的因素化学成分化学成分温度温度固溶体类型固溶体类型晶体结构晶体结构晶体缺陷晶体缺陷两种机制两种机制思考题思考题1.名词解释：名词解释： 扩散，自扩散，互扩散，下坡扩散，上坡扩散，稳扩散，自扩散，互扩散，下坡扩散，上坡扩散，稳 态扩散，非稳态扩散，扩散系数，扩散通量态扩散，非稳态扩散，扩散系数，扩散通量 2.写出扩散第一、第二定律的数学表达式，说明扩散写出扩散第一、第二定律的数学表达式，说明扩散第一方程中各符号的含义及两个定律的适用范围。第一方程中各符号的含义及两个定律的适用范围。3.写出扩散系数的一般公式，分析影响扩散的因素。写出扩散系数的一
42、般公式，分析影响扩散的因素。4.什么是科肯达尔效应，产生这种效应的原因是什么什么是科肯达尔效应，产生这种效应的原因是什么?5. 已知已知Zn在在Cu中扩散时中扩散时D0=2.110-5m2/s，Q=171103J/mol：（1）试求）试求815时时Zn在在Cu中扩散的扩散系数；中扩散的扩散系数；（2）若）若Zn在在Cu基固溶体铸造合金中存在不均匀分布基固溶体铸造合金中存在不均匀分布的偏析，求在的偏析，求在815均匀化退火时使成分偏析振幅均匀化退火时使成分偏析振幅降低到降低到0.1%所需的保温时间（含所需的保温时间（含Zn最高区与最最高区与最低区的距离为低区的距离为0.1mm）；）；（3）若退火前预先进行变形加工，是否有助于加速）若退火前预先进行变形加工，是否有助于加速均匀化过程，为什么？均匀化过程，为什么？ 6.渗碳是将零件置于渗碳介质中使碳原子进入工件表渗碳是将零件置于渗碳介质中使碳原子进入工件表面，然后以下坡扩散的方式使碳原子从表层向内部面，然后以下坡扩散的方式使碳原子从表层向内部扩散的热处理方法。试问：扩散的热处理方法。试问：（1）温度高低对渗碳速度有何影响？）温度高低对渗碳速度有何影响？（2）渗碳应当在）渗碳应当在-Fe中还是中还是-Fe中进行？中进行？（3）空位密度、位错密度和晶粒大小对渗碳速度有）空位密度、位错密度和晶粒大小对渗碳速度有何影响？何影响？
