金属工艺学9.ppt

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1、第八章第八章 扩散扩散本章重点本章重点:(1)扩散的概念与本质扩散的概念与本质 (2)(2)固态金属扩散的条件固态金属扩散的条件 (3)(3)影响扩散的因素影响扩散的因素 定义定义：物质中原子或分子通过无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。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移动距离超过平均原子间距 扩散现象：柯肯达尔效应（扩散现象：柯肯达尔效应（P214）物质传输方式物质传输方式：气、液气、液：扩散扩散 固固：扩散扩散 唯一机制唯一机制1 扩散定义与本质扩散定义与本质 对流、对流、本质：本质：大量原子不断大量原子不断克服克服原子之间原子之间 能垒能垒，跃

2、迁跃迁到邻近位置，实现到邻近位置，实现宏观的物质迁移宏观的物质迁移过程。过程。阻阻 力：邻近原子间势能垒力：邻近原子间势能垒 驱动力：热振动原子的能量起伏驱动力：热振动原子的能量起伏 与温度有关与温度有关Q2 2 扩散的微观机制扩散的微观机制 1 1)间隙间隙扩散扩散机制机制在在间间隙隙固固溶溶体体中中溶溶质质原原子子的的扩扩散散是是从从一一个个间间隙隙位位置置跳跳到到近近邻邻的的另另一一间间隙隙位位置置，发发生生间间隙隙扩扩散散。H、N、O、C等等原原子子都都是是以以间间隙隙机机制制在在金金属中扩散。属中扩散。间隙机制间隙机制 2 2）空位扩散机制空位扩散机制 用空位机制解释用空位机制解释柯

3、肯达尔效应柯肯达尔效应 http:/www.tms.org/pubs/journals/JOM/9706/Nakajima-9706.html 在置换固溶体中，一个处于阵点上的原子通在置换固溶体中，一个处于阵点上的原子通过与空位交换位置而迁移。这个过程相当于空过与空位交换位置而迁移。这个过程相当于空位向相反方向移动，故亦称为空位扩散。位向相反方向移动，故亦称为空位扩散。柯肯达尔效应柯肯达尔效应(Kirkendall effect)(Kirkendall effect)CuNiCuNi扩散前扩散前扩散后扩散后Ernest Kirkendall 在含有浓度梯度的置换固溶体中，埋入在含有浓度梯度的置

4、换固溶体中，埋入一个惰性标记，由于两组元扩散能力不一个惰性标记，由于两组元扩散能力不相等，经过扩散后会引起标记的移动。相等，经过扩散后会引起标记的移动。这个现象以后就称为这个现象以后就称为柯肯达尔柯肯达尔(Kirkendall)效应。效应。3）其他机制只能在一些非晶态合金中出现也不容易出现3 扩散的条件扩散的条件 存在扩散驱动力存在扩散驱动力热力学条件热力学条件 梯度：梯度：化学位化学位、温度、应力、温度、应力、电场、磁场等电场、磁场等 扩散原子与基体有固溶性扩散原子与基体有固溶性前提条件前提条件 足够高温度足够高温度动力学条件：动力学条件：足够长时间足够长时间 宏观迁移的动力学条件宏观迁移的

5、动力学条件4 固态扩散的分类固态扩散的分类 通常扩散伴随浓度变化通常扩散伴随浓度变化,且高浓度且高浓度低浓度低浓度 但实际上：并非一定如此但实际上：并非一定如此例如例如：纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长大大(晶界的迁移晶界的迁移)扩散中无浓度扩散中无浓度变化；变化；又如又如：奥氏体转变为珠光体时：奥氏体转变为珠光体时：奥氏体转变为渗碳体时碳奥氏体转变为渗碳体时碳由低浓度由低浓度的奥的奥氏体氏体向高浓度向高浓度的渗碳体的渗碳体扩散扩散扩散的种类（类型）不同扩散的种类（类型）不同 固态扩散的分类固态扩散的分类根据扩散中是否发生浓度变化分类根据扩散中是否发生浓度变化分类

6、自扩散自扩散扩散中无浓度变化扩散中无浓度变化 纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长大纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长大 扩散与浓度梯度无关扩散与浓度梯度无关互互(异异)扩散扩散伴随有浓度变化的扩散伴随有浓度变化的扩散 不均匀固溶体均匀化过程中异类原子不均匀固溶体均匀化过程中异类原子的相对扩散、互相渗透过程的相对扩散、互相渗透过程 扩散与浓度梯度有关，又称化学扩散扩散与浓度梯度有关，又称化学扩散根据扩散方向是否与浓度梯度的方向相同分类根据扩散方向是否与浓度梯度的方向相同分类 下坡扩散下坡扩散沿浓度降低的方向扩散，即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。原子由高浓度区向低浓度区扩散。不均匀

7、固溶体均匀化过程、渗碳等。不均匀固溶体均匀化过程、渗碳等。上坡扩散上坡扩散沿浓度升高的方向扩散，即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。原子由低浓度区向高浓度区扩散。根据扩散中是否析出新相分类根据扩散中是否析出新相分类 原子扩散原子扩散无新相产生。无新相产生。反应扩散反应扩散扩散中有新相产生。扩散中有新相产生。要点：扩散的驱动力要点：扩散的驱动力化学位梯度，因多数化学位梯度，因多数情况下化学位梯度与浓度梯度方向一致，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。故看起来扩散方向似顺着浓度梯度方向。温度、应力、电场、磁场等温度、应力、电场、磁场等单位：x

8、为沿扩散方向的距离 c是溶质的体积浓度，即单位体积中溶质的质量kg/m3 扩散通量，J，kg/(m2s)扩散系数，D，m2/s；浓度梯度，kg/(m3m)扩散通量浓度梯度扩散系数1855年1 菲克第一定律(Ficks First Law)在稳态扩散的条件下，单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积的扩散物质量（通称扩散通量）与该截面处的浓度梯度成正比。J=-D5 扩散定律扩散定律“-”号号表表示示扩扩散散方方向向为为浓浓度度梯梯度度的的反反方方向向，即即扩扩散散由由高浓度向低浓度区进行。高浓度向低浓度区进行。菲克第一定律的解释在扩散过程中扩散物质的浓度随时间而变化。在扩散过程中扩散物质的浓度随时

9、间而变化。非稳态扩散时，在一维情况下，菲克第二定律的表达非稳态扩散时，在一维情况下，菲克第二定律的表达式为式为 式中：式中：c c为扩散物质的体积浓度（为扩散物质的体积浓度（atoms/matoms/m3 3或或kg/mkg/m3 3）；）；t为扩散时间（为扩散时间（s s）；）；x为扩散距离（为扩散距离（m m）。）。2 2 菲克第二定律菲克第二定律(Fick(Ficks Second Law)s Second Law)0扩散第二定律（菲克第二定律）表达式扩散第二定律（菲克第二定律）表达式:D为常数时：为常数时：注意：注意：(1)非稳态扩散非稳态扩散普遍、通用的扩散方程普遍、通用的扩散方程(

10、2)求解难：须对具体扩散条件进行分析后，通过求解难：须对具体扩散条件进行分析后，通过建立边界条件、初始条件以及建立边界条件、初始条件以及C 表达式的推测，表达式的推测，给出特殊的解。给出特殊的解。实际中常见的几种解可参考上海科技出版社实际中常见的几种解可参考上海科技出版社卢光熙卢光熙金属学教程金属学教程6 影响扩散的因素影响扩散的因素 J=-DdC/dx D；dC/dx D=D0exp(-Q/RT)(1)温度温度：T，D 指数关系，指数关系，原因：振动原因：振动，能量起伏，能量起伏；空位；空位，(2)基体基体的组织的组织结构结构 结构类型结构类型：致密型致密型 Q，D。例如：例如：D-Fe 1

11、63D-Fe (912);固溶体相类型固溶体相类型：间隙式间隙式置换式置换式 Q 小小思考思考1：渗碳应当在渗碳应当在-Fe中还是在中还是在-Fe中进行？中进行？思考思考2：冷加工金属冷加工金属与与退火金属退火金属的扩散速率谁大？的扩散速率谁大？晶体缺陷晶体缺陷：缺陷缺陷，D 空位多；空位多；表面扩散表面扩散(3)合金元素合金元素 A、影响基体点阵中原子间结合力，进而影、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响原子的扩散激活能Q，影响，影响D。通常：若熔点或液相线通常：若熔点或液相线则则Q，D B、合金元素对钢中碳扩散系数的影响、合金元素对钢中碳扩散系数的影响 是否形成碳化物是否形成碳化物