固体中原子的扩散.ppt

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1、关于固体中原子的扩散2022-9-21现在学习的是第1页，共37页2022-9-22 原子或分子的迁移现象称为扩原子或分子的迁移现象称为扩散。扩散的本质是原子依靠热运动从一个位置迁移到散。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。扩散是固体中原子迁移的唯一方式。另一个位置。扩散是固体中原子迁移的唯一方式。 现在学习的是第2页，共37页2022-9-23 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、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需具备下列条件才能扩散: : 只有只有T T足够高，才能使原子具有足够的激足够高，才能使原

2、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。如活能，足以克服周围原子的束缚而发生迁移。如FeFe原子在原子在500 500 以以上才能有效扩散，而上才能有效扩散，而C C原子在原子在100 100 以上才能在以上才能在FeFe中扩散中扩散. . 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0.30.30.5n m0.5n m的距离，要扩散的距离，要扩散1 1的距离，必须迁移近亿次。的距离，必须迁移近亿次。 扩散原子在基体金属中必须有一定的固扩散原子在基体金属中必须有一定的固溶度溶度, ,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

3、散。才能进行固态扩散。 实际发生的定向扩散过程都是实际发生的定向扩散过程都是在扩散驱动力作用下进行的在扩散驱动力作用下进行的( (化学势差化学势差: :在等温等压条件下在等温等压条件下, ,只要两只要两个区域中各组元存在化学势差个区域中各组元存在化学势差, ,就能产生扩散就能产生扩散, ,直至化学势差为零直至化学势差为零) )。现在学习的是第3页，共37页2022-9-24 自扩散（自扩散（self-diffusion):self-diffusion):例如例如: :纯金属晶粒长大过程及均匀溶纯金属晶粒长大过程及均匀溶体的晶粒长大等体的晶粒长大等, ,不伴有浓度变化的扩散不伴有浓度变化的扩散,

4、 ,与与浓度梯度（浓度梯度（concentration concentration gradientdgradientd）（）（d/dxd/dx）无）无关关, ,与热振动有关与热振动有关. . 互（异）扩散互（异）扩散(mutual diffusion):(mutual diffusion):例如例如: :化学热处理；材料成分化学热处理；材料成分均匀化均匀化, ,伴有浓度变化的扩散。互扩散与异类原子的浓度差有关伴有浓度变化的扩散。互扩散与异类原子的浓度差有关, ,是异类是异类原子的相对扩散、相互渗透。原子的相对扩散、相互渗透。 上坡扩散上坡扩散(uphill diffusion):(uphil

5、l diffusion):向浓度高的方向扩散向浓度高的方向扩散 下坡扩散下坡扩散(downhill diffusion):(downhill diffusion):向浓度低的方向扩散向浓度低的方向扩散 原子扩散原子扩散(atomic diffusion):(atomic diffusion):没有新的相生成没有新的相生成 反应扩散反应扩散(reaction diffusion):(reaction diffusion):扩散过程中新的相生成扩散过程中新的相生成现在学习的是第4页，共37页2022-9-25 描述在稳态条件描述在稳态条件下的扩散（下的扩散（) ,) ,即各处浓度不随即各处浓度不随

6、时间变化时间变化, ,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积上的内容：在单位时间内通过垂直扩散方向的单位截面积上的与该截面处的浓度与该截面处的浓度梯度成正比梯度成正比. . 表达式表达式: J = : J = Dd/dxDd/dx 描述扩散速描述扩散速度的物理量。它等于浓度梯度度的物理量。它等于浓度梯度(concentiontration (concentiontration gradient)gradient)为为1 1时在时在1 1秒内通过秒内通过1 1面积的物质质量或原子数。面积的物质质量或原子数。D D越大越大, ,则扩散越快则扩散越

7、快. .现在学习的是第5页，共37页2022-9-26 描述描述在扩散过在扩散过程中各处的浓度都随时间变化而变化程中各处的浓度都随时间变化而变化, ,因而通过各处的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。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: 4.2: 4.2式（式（P130P130） 若若D D与浓度无关则表达式与浓度无关则表达式: 4.3: 4.3式（式（P130P130） 三维扩散情况且三维扩散情况且D D是各向同性则表达式是各向同性则表达式: 4.4: 4.4式式 现在学习的是第6页，共37页2022-9-27 第一定律第一定律求解一阶微分方程求解一阶微

8、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 Gauss Gauss solutionsolution、误差函数解、误差函数解error function solutionerror function solution、正玄解、正玄解 sinusoidal solution) sinusoidal solution) ，解微分方程初始条件，边界条，解微分方程初始条件，边界条件求方程式。件求方程式。 解微分方程解微分方程 引入中间变量和误差函数引入中间变量和误差函数 求通求通解（式解（式4.64.6） 边界条件和初始条件边界条件和初始条件 求特解（式求特解（式4

9、.74.7、4.84.8） 焊接面垂直于焊接面垂直于x x轴轴, ,在加热和保温不同时间在加热和保温不同时间, ,焊接面焊接面(x=0)(x=0)附近的质量浓度将发生不同程度的变化附近的质量浓度将发生不同程度的变化. (P131 . (P131 图图4.3)4.3) 现在学习的是第7页，共37页2022-9-28 求解方法同上，特解为（式求解方法同上，特解为（式4.94.9、4.10 4.10 简化式简化式4.114.11） 工业生产中工业生产中, ,经常采用经常采用的方法来提高的方法来提高钢铁零件的表面硬度钢铁零件的表面硬度. .所谓渗碳就是使碳原子由零件表面向所谓渗碳就是使碳原子由零件表面

10、向内部扩散，以提高钢的含碳量。含碳量越高，钢的硬度越内部扩散，以提高钢的含碳量。含碳量越高，钢的硬度越高。高。(2)(2)若想将渗碳厚度增加一倍，需增加多少渗碳时间？若想将渗碳厚度增加一倍，需增加多少渗碳时间？现在学习的是第8页，共37页2022-9-29 已知已知CuCu在在AlAl中扩散系数中扩散系数D D，在，在500C500C和和600C600C分分别为别为4.84.81010-14-14msms-1-1和和5.35.31010-13-13msms-1-1, ,假如一个工件在假如一个工件在600C600C需要处理需要处理10h,10h,若在若在500C500C处理时处理时, ,要达到同

11、样的效果要达到同样的效果, ,需要多少小时？（需需要多少小时？（需110.4110.4小时）小时） 假设对假设对Wc=0.25%Wc=0.25%的钢件进行渗碳处理的钢件进行渗碳处理, ,要求渗要求渗层层0.50.5处的碳浓度为处的碳浓度为0.8%,0.8%,渗碳气体浓度为渗碳气体浓度为Wc=1.2%,Wc=1.2%,在在950C950C进行渗碳进行渗碳, ,需要需要7 7小时小时, ,如果将层深厚度提高到如果将层深厚度提高到1.01.0, ,需要多长时间？（需要需要多长时间？（需要2828小时）小时）现在学习的是第9页，共37页2022-9-210 。 求解方法同上，特解为（式求解方法同上，特

12、解为（式4.164.16、4.18 4.18 ） t= 0.467 t= 0.4672 2/D/D在给定温度下在给定温度下,D,D是定值是定值, ,枝晶间距枝晶间距越小越小, ,则所需的扩散时间则所需的扩散时间越少越少. .可通过快速凝固可通过快速凝固, ,热锻热锻, ,热轧等打碎枝晶热轧等打碎枝晶, ,有利于扩有利于扩散散. .若若值一定值一定, ,则可通过提高温度则可通过提高温度, ,使使D D值增加值增加, ,从而有效提高扩从而有效提高扩散效率散效率. .现在学习的是第10页，共37页2022-9-211 KirkendallKirkendall效应（效应（ Kirkendall eff

13、ectKirkendall effect）: : 由于置换型原子原子半径与基体相差不大由于置换型原子原子半径与基体相差不大, ,二者二者( (溶溶质和溶剂原子质和溶剂原子) )扩散速率不同，发生扩散速率不同，发生KirkendallKirkendall效应。效应。 扩散驱动力为扩散驱动力为d/dxd/dx 引入互扩散系数引入互扩散系数(mutual diffusion coefficient)(mutual diffusion coefficient)：P139P139式式4.34 4.34 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 v和和d

14、/dxd/dx可求出两种元子的扩散系数可求出两种元子的扩散系数D1D1和和D2D2。 现在学习的是第11页，共37页2022-9-2124.1.5 4.1.5 扩散系数与浓度有关时的解扩散系数与浓度有关时的解( (求求D)D)一般了解一般了解 D D与与有关时，有关时，FickFick第二定律为式第二定律为式4.24.2（P130P130） BoltzmannBoltzmann引入中间变量：引入中间变量：= x / t = x / t 根据无限长的扩散偶根据无限长的扩散偶(diffusion couple)(diffusion couple)的初始条件为的初始条件为 t=0t=0时时 x0 =

15、x0 =；x0 = 0 x0D0为下坡扩散；当为下坡扩散；当D0D0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化学势差决定组元扩散的基本因素为化学势差i i/x/xi i, ,扩散总是导致扩散组元的化学势差减小扩散总是导致扩散组元的化学势差减小, ,直至为零。直至为零。现在学习的是第14页，共37页2022-9-215 现在学习的是第15页，共37页2022-9-216 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 现在学习的是第16页，共37页2022-9-2174.3.1

16、 4.3.1 扩散机制扩散机制( (机理机理) ) 的主要类型如图的主要类型如图4.94.9，主要有以下几种机制主要有以下几种机制: : 以相邻原以相邻原子交换位置进行扩散方式。换位方式：直接换位扩散和环形子交换位置进行扩散方式。换位方式：直接换位扩散和环形换位（换位（cyclic exchangecyclic exchange）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。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结果是垂直于扩散方向平面的净通量等于0.0. (1) (1) 间隙型溶质原子扩散从一个位置迁移到另一个间隙位间隙型溶

17、质原子扩散从一个位置迁移到另一个间隙位置的过程。置的过程。 (2) (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.a.推填机制（推填机制（interstitialcy mechanisminterstitialcy mechanism）( (也叫篡位式也叫篡位式) ) b. b.挤列机制（挤列机制（crowdion configurationcrowdion configuration） c.c.跃迁机制（跃迁机制（jump migrationjump migration）现在学习的是第17页，共37页2022-9-218 ：扩散原子：扩散原子与空位

18、的逆向流动与空位的逆向流动, ,产生产生KirkendallKirkendall效应效应. .大多数情况大多数情况下原子扩散是借助空位机制。下原子扩散是借助空位机制。 晶体内扩散晶体内扩散Dl Dl 晶界扩散晶界扩散Db Db 表面扩散表面扩散DsDs ：原子通过位错扩散。温度越低：原子通过位错扩散。温度越低, ,原原子在位错中的时间越长子在位错中的时间越长, ,在点阵中跳动的时间越短。在点阵中跳动的时间越短。把原子在缺陷中的扩散称为把原子在缺陷中的扩散称为 总之总之, ,固态金属或合金中的扩散主要依靠晶体缺固态金属或合金中的扩散主要依靠晶体缺陷来进行。陷来进行。现在学习的是第18页，共37页

19、2022-9-219 原子扩散必须克服一定的能垒原子扩散必须克服一定的能垒, ,其大小其大小 G = G2G = G2G1G1，只有的原子才能发生跳跃（只有的原子才能发生跳跃（jump migrationjump migration） 。 经推倒在经推倒在T T温度下具有条约条件的原子分数温度下具有条约条件的原子分数( (称为几率称为几率 jump jump probability)n/Nprobability)n/N为：为： n/N = expn/N = exp（G / kTG / kT） 在有一块含有在有一块含有n n个原子的晶体中个原子的晶体中, ,在在dtdt时间内共跳跃时间内共跳跃m

20、 m次次, ,则每则每个原子在单位时间内跳跃次数个原子在单位时间内跳跃次数( (称为跳跃频率称为跳跃频率) )为：为： = m/n= m/ndtdt 根据扩散方程及数学推倒得：根据扩散方程及数学推倒得：D = PdD = Pd 上式从间隙固溶体中求得上式从间隙固溶体中求得, ,也适用于置换固溶体。也适用于置换固溶体。现在学习的是第19页，共37页2022-9-220 对于间隙型扩散、置换型扩散及纯金属的自扩散都可导出对于间隙型扩散、置换型扩散及纯金属的自扩散都可导出D D： 注：注：(1) Do(1) Do为扩散常数为扩散常数, ,与与S S有关有关, ,其数值可查。其数值可查。R R为气体常

21、数，其为气体常数，其值为值为8.31J/8.31J/（mol.Kmol.K） (2) Q(2) Q为每摩尔原子扩散的激活能为每摩尔原子扩散的激活能(activation energy of (activation energy of diffusion)diffusion)。对于间隙型扩散。对于间隙型扩散,Q,Q为原子跳跃所需要的迁移能为原子跳跃所需要的迁移能U U；对于置换型扩散或自扩散，对于置换型扩散或自扩散，Q Q包括原子迁移能包括原子迁移能U U和空位形成能和空位形成能UvUv。Q Q数值可查。数值可查。 (3) R(3) R为气体常数，为气体常数，T T为绝对温度（为绝对温度（K K

22、） (4)(4)不同扩散机制的扩散系数表达形式相同，但不同扩散机制的扩散系数表达形式相同，但D D和和Q Q值不同。值不同。现在学习的是第20页，共37页2022-9-221 晶体中原子扩散机制不同晶体中原子扩散机制不同, ,其其不同。但可以通过实验求得不同。但可以通过实验求得扩散激活能扩散激活能Q Q。其方法如下：。其方法如下： 由实验确定由实验确定lnDlnD与与1/T1/T的关系。若的关系。若lnDlnD1/T1/T呈直线呈直线关系关系, ,可用外推法求出可用外推法求出lnDo,lnDo,直线的斜率为直线的斜率为Q/RQ/R，则则 Q=Q=RtgRtg 一般一般DoDo与与Q Q和和T

23、T无关无关, ,只与扩散机制及材料有关。只与扩散机制及材料有关。现在学习的是第21页，共37页2022-9-2224.5 4.5 无规则行走与扩散距离无规则行走与扩散距离 原子扩散原子扩散是指扩散原子的行走是向各个方向随机条约的是指扩散原子的行走是向各个方向随机条约的. .其扩散距其扩散距离与扩散时间的平方根成正比。离与扩散时间的平方根成正比。现在学习的是第22页，共37页2022-9-223 由前述可知由前述可知, ,在一定条件下扩散的快慢主要与在一定条件下扩散的快慢主要与D D有关，有关，而而D D与与T T、Q Q有关，即：有关，即： D = DoexpD = Doexp（Q / RTQ

24、 / RT）。）。 所以，所以，现在学习的是第23页，共37页2022-9-2241. 1. 温度 温度（温度（T T）：）：T T升高、升高、D D升高、升高、D D与与T T呈指数关系。呈指数关系。 ，碳在，碳在-Fe-Fe中扩散，中扩散，927927时，时，D D = = 1.611.611010- 1 1 - 1 1 m m2 2/s/s，而在，而在10271027时，时，D D = = 4.744.741010-11 -11 m m2 2/s/s。可见，温度从。可见，温度从927927提高到提高到10271027，就使扩散系数，就使扩散系数D D增大增大3 3倍，即渗碳速度倍，即渗碳

25、速度加快了加快了3 3倍。所以，生产上各种受扩散控制的倍。所以，生产上各种受扩散控制的过程都要考虑温度的重大影响。过程都要考虑温度的重大影响。现在学习的是第24页，共37页2022-9-225 固溶体类型：形成间隙固溶体比形成置换固固溶体类型：形成间隙固溶体比形成置换固溶体所需溶体所需Q Q小得多小得多, ,扩散也快得多。扩散也快得多。 C C在在FeFe中中,1200K,1200K时时 Dc=1.61Dc=1.611010-11-11 m m2 2/s/s Ni Ni在在FeFe中中,1200K,1200K时时 D DNiNi=2.08=2.081010-17-17 m m2 2/s/s 二

26、者相差约二者相差约760000760000倍。倍。现在学习的是第25页，共37页2022-9-226 碳原子在碳原子在-Fe(-Fe(熔点熔点1809K)1809K)、V(V(钒，熔点钒，熔点2108K)2108K)、Nb(Nb(铌铌, , 熔点熔点2793K)2793K)、W(W(钨钨, , 熔点熔点3653K)3653K)中的扩散激活能中的扩散激活能Q Q分别为：分别为：103103、114114、159159、169169（kJ/molkJ/mol）。）。 也就是说，也就是说，结构不同，原子排列不同致密度不同，结构不同，原子排列不同致密度不同，D D不同。致密不同。致密度大，度大，D D

27、小；致密度小，小；致密度小，D D大。原子键合力越强，大。原子键合力越强，Q Q越高。晶体的对越高。晶体的对称性对称性对D D也有影响。也有影响。900900时碳在时碳在-Fe(bcc)-Fe(bcc)和和-Fe(fcc)-Fe(fcc)中的扩散系数中的扩散系数D D分别分别为：为：1.61.61010-10 -10 m m2 2/s/s和和8.78.71010-12 -12 m m2 2/s/s。这表明，在相同的温度下，。这表明，在相同的温度下，碳在碳在-Fe-Fe中的扩散比在中的扩散比在-Fe-Fe中的扩散更容易，速度更快。这主要是中的扩散更容易，速度更快。这主要是因为碳原子在因为碳原子在

28、-Fe-Fe中，间隙固溶造成的晶格畸变更大。中，间隙固溶造成的晶格畸变更大。现在学习的是第26页，共37页2022-9-227 规律：扩散元素规律：扩散元素在基体金属中造成的晶格畸变越大（间隙原在基体金属中造成的晶格畸变越大（间隙原子的半径越大，对基体造成的晶格畸变越子的半径越大，对基体造成的晶格畸变越大），扩散激活能就越小，则扩散系数越大，大），扩散激活能就越小，则扩散系数越大，扩散越容易，扩散越快。扩散越容易，扩散越快。 例如例如, ,间隙原子间隙原子N(N(氮氮) )、C(C(碳碳) )、B(B(硼硼) )在在-Fe-Fe中的扩散中的扩散( (见下页表见下页表) )。表内为间隙原子在。表

29、内为间隙原子在-Fe-Fe中中的扩散参数，表中的扩散参数，表中D D的值是应用的值是应用4.494.49式计算所得式计算所得现在学习的是第27页，共37页2022-9-228扩扩 散散 元元 素素N(氮氮)C(碳碳)B(硼硼)原子半径原子半径, 0.710.770.90固溶度，固溶度，wt %2.82.10.018D0，m2/s2.010-51.010-50.0210-5Q，kJ/mol15113688D，m2/s(900)3.710-128.710-122.410-11现在学习的是第28页，共37页2022-9-229 点、线、面缺陷都会影响扩散系数。缺陷的密度增加，扩散系数增加。点、线、面

30、缺陷都会影响扩散系数。缺陷的密度增加，扩散系数增加。扩散的途径：晶内扩散（扩散的途径：晶内扩散（QlQl、DlDl）、晶界扩散（）、晶界扩散（QbQb、DbDb）、表面扩散）、表面扩散（QsQs、DsDs）。）。 lnD lnD1/T1/T成直线关系，图成直线关系，图4.154.15为单、多晶体的为单、多晶体的D D随变化图。从图随变化图。从图中可以看出：中可以看出：(1)(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;Dl;而多晶体的而多晶体的D D是晶内扩散和晶界扩是晶内扩散和晶界扩散共同作用的表象扩散系数。散共同作用的表象扩散系数。 (2)(2)对对AgAg来说来说700C7

31、00C以上以上D D单晶单晶D D多；多；700C700C以下以下D D单晶单晶DD多晶。多晶。 (3)(3)晶界扩散也有各向异性。晶界扩散也有各向异性。 (4)(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, ,溶质原子半径小溶质原子半径小易扩散易扩散, ,其其Dl DbDl Db。 (5)(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。 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时进行, ,并且在温度较低时并且在温度较低时, ,所起的作所起的作用更大。用更大。现在学习的是第29页，共37页2022-9-230 化学成

32、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(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 Q与其点阵中与其点阵中原子结合力有关。如原子结合力有关。如TmTm高，高，Q Q也大也大 (2) D(2) D与溶质浓度有关。与溶质浓度有关。D D与关系由与关系由4.254.25式（式（P128P128）决定。）决定。 (3)(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。有但很复杂。有些使些使D D升高升高, ,有的使有的使D D下降下降, ,有的不起作用。有的不起作用。 (1)

33、 (1) 碳化物形成元素：如碳化物形成元素：如W W、MoMo、CrCr等等 使使D D下降。下降。 (2) (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 Mn 对对D D 影影响不大响不大 (3)(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FeFe中元素影响不同。中元素影响不同。CoCo、NiNi等使等使D D升高，升高，SiSi等使等使D D下降。下降。 现在学习的是第30页，共37页2022-9-231 (1) (1) 合金内存在应力场、应力提合金内存在应力场、应力提 供驱动力供驱动力F F。应力升高、。应力升高、F F升高。升高。

34、V=BF VV=BF V升高升高(2) (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, ,促进原子迁移。促进原子迁移。 具有磁性转变的金属在铁磁性状态下的比顺磁性状态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下扩散慢,D,D小一些。小一些。现在学习的是第31页，共37页2022-9-232 4.7.1 4.7.1 根据扩散过程中是否发生浓度变化分类根据扩散过程中是否发生浓度变化分类: : 纯物质晶体中的扩散。自扩散在扩散过程中不伴有浓度变化的扩纯物质晶体中的扩散。自扩散在扩散过程中不伴有浓度变化的扩散散, ,与与浓度梯度（浓度梯度（conc

35、entration gradientdconcentration gradientd）（）（d/dxd/dx）无）无关关, ,与热与热振动有关。自扩散只发生在纯金属和均匀固溶体中。振动有关。自扩散只发生在纯金属和均匀固溶体中。 例如例如: :纯金属晶粒长大过程；均匀溶体的晶粒长大纯金属晶粒长大过程；均匀溶体的晶粒长大 伴有浓度变化的扩散。互扩散与异类原子的浓度差有关伴有浓度变化的扩散。互扩散与异类原子的浓度差有关, ,是异类是异类原子的相对扩散、相互渗透。原子的相对扩散、相互渗透。 例如例如: :化学热处理；材料成分均匀化化学热处理；材料成分均匀化现在学习的是第32页，共37页2022-9-2

36、33沿浓度降低方向进行的扩散沿浓度降低方向进行的扩散, ,扩散使浓度趋势与均匀化。扩散使浓度趋势与均匀化。 例如例如: :均匀化退火均匀化退火 、化学热处理、化学热处理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。上坡扩散的一些情况：使浓度发生两极分化。上坡扩散的一些情况： (1) (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) (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) (3) 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

37、。 (4) (4) 形成化合物。如形成化合物。如FeFe3 3C C形成。形成。 (5) (5) 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, ,原子按一定原子按一定方向迁移。方向迁移。 例如例如: :液态合金的共晶转交；固溶体的共析转交；固溶体中新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。相析出及新相长大。现在学习的是第33页，共37页2022-9-234 扩散时晶格不变扩散时晶格不变, ,无新相产生。无新相产生。 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其浓度超过基体金属的溶解度极限而形成新相

38、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观察面的观察面, ,新相可以是中间相新相可以是中间相, ,也可以是固溶体。反应扩散可以也可以是固溶体。反应扩散可以参考平衡相图分析形成的新相。参考平衡相图分析形成的新相。 例如：纯铁在例如：纯铁在520C520C氮化时可由氮化时可由FeNFeN相图分析形成新相相图分析形成新相,WN,WN变变化化, ,形成新相不同。见图形成新相不同。见图4.174.17（P141P141） 相：相：N N在在 FeFe中的间隙固溶体中的间隙固溶体 WN 0.11%WN 0.11% 相：以相：以FeFe4

39、 4N N为基的固溶体为基的固溶体 WN = 5.7WN = 5.76.1%6.1% 相：相：FexN x=2FexN x=23 WN = 7.83 WN = 7.811.0 %11.0 % 现在学习的是第34页，共37页2022-9-235 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。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, ,通常称为肖脱基空位。通常称为肖脱基空位。 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4.644.64式式 间隙阳离子和间隙阴离子的平衡浓

40、度间隙阳离子和间隙阴离子的平衡浓度:4.65:4.65式式 上述两式与第三章上述两式与第三章3.73.7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, ,扩散时扩散系数与扩散时扩散系数与电导率有关。电导率有关。 现在学习的是第35页，共37页2022-9-236 1.1.掌握一些基本概念：扩散定律、扩散系数、纯扩掌握一些基本概念：扩散定律、扩散系数、纯扩散、化学扩散、上坡扩散、下坡扩散、原子扩散、反散、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）扩散、扩散激活应（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、柯肯达尔效能，稳态扩散，非稳态扩散，扩散通量、柯肯达尔效应应 2.2.固态金属中原子扩散的条件固态金属中原子扩散的条件 3.3.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 4.4.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 5.5.固相中原子扩散的各种机制固相中原子扩散的各种机制 6.6.扩散的分类扩散的分类现在学习的是第36页，共37页2022-9-2感谢大家观看感谢大家观看现在学习的是第37页，共37页