7扩散和固态相变-西安交大材料科学基础.ppt

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1、第七章第七章 材料中的原子扩散材料中的原子扩散扩散定律及其应用扩散定律及其应用扩散机制扩散机制影响扩散的因素及扩散驱动力影响扩散的因素及扩散驱动力几个特殊的有关扩散的实际问题几个特殊的有关扩散的实际问题固态相变中的形核固态相变中的形核概述概述固态相变的晶体成长固态相变的晶体成长下页下页返回返回概概 述述扩散扩散唯象方法唯象方法唯象理论（宏观规律）唯象理论（宏观规律）微观方法微观方法原子理论（微观理论）原子理论（微观理论）唯象理论唯象理论：既不考虑扩散系统的具体结构，也不考既不考虑扩散系统的具体结构，也不考 虑扩散扩散原子的迁移机构，把扩散系统看成是连虑扩散扩散原子的迁移机构，把扩散系统看成是连

2、 续的介质，通过建立和求解微分方程、研究扩散过续的介质，通过建立和求解微分方程、研究扩散过 程中扩散物质的浓度时间和空间坐标的变化及扩散程中扩散物质的浓度时间和空间坐标的变化及扩散 物质的迁移规律，或反过来根据唯象的结果和关系物质的迁移规律，或反过来根据唯象的结果和关系 求解唯象系数（扩散系数）。求解唯象系数（扩散系数）。下页下页后退后退原子理论原子理论 通过研究扩散系数介质的结构通过研究扩散系数介质的结构和扩散原子的迁机构，用统计物理和扩散原子的迁机构，用统计物理学的方法建立扩散原子的微观行为学的方法建立扩散原子的微观行为（如跃迁频率、跃迁距离等）和宏（如跃迁频率、跃迁距离等）和宏观参量（如

3、扩散系数、浓度、温度观参量（如扩散系数、浓度、温度等）之间的关系，并反过来根据这等）之间的关系，并反过来根据这些关系和实验结果了解扩散介质的些关系和实验结果了解扩散介质的结构、缺陷及行为等。结构、缺陷及行为等。下页下页后退后退固态扩散固态扩散 固体中由于原子的热运动所造固体中由于原子的热运动所造成的物质传输过程。在晶体中，原成的物质传输过程。在晶体中，原子在其平衡位置上作快速热振动，子在其平衡位置上作快速热振动，若因某种原因（如温度升高）使一若因某种原因（如温度升高）使一些原子能量增大到足以克服周围原些原子能量增大到足以克服周围原子的束缚，这些原子就可以在热振子的束缚，这些原子就可以在热振动过

4、程中跃迁到邻近的位置上去如动过程中跃迁到邻近的位置上去如果这种跃迁不断地继续下去就形成果这种跃迁不断地继续下去就形成舞质的传输。舞质的传输。后退后退下页下页返回返回第一节第一节 扩散定律及其应用扩散定律及其应用一、扩散现象一、扩散现象纯金属中的自扩散纯金属中的自扩散间隙固溶体中的间隙原子扩散间隙固溶体中的间隙原子扩散置换固溶体中的溶质介质和溶剂原子的置换固溶体中的溶质介质和溶剂原子的互扩散互扩散大量原子迁移的宏观效果就是扩散大量原子迁移的宏观效果就是扩散下页下页后退后退二、二、Fick第一定律第一定律在稳态扩散（在稳态扩散（）的条件下，单位时间内通过）的条件下，单位时间内通过垂直于扩散方向的单

5、位截面面积的扩散物质的通量垂直于扩散方向的单位截面面积的扩散物质的通量 与浓度梯度成正比。与浓度梯度成正比。反映扩散能力和决定扩散过程的反映扩散能力和决定扩散过程的重要，重要，“-”表示扩散方向与表示扩散方向与x方向方向相反相反,即扩散浓度由高处向低处的即扩散浓度由高处向低处的方向进行。方向进行。下页下页后退后退二、二、Fick第二定律第二定律质量平衡关系：质量平衡关系：（在微小体积中积存的物质）（在微小体积中积存的物质）=（留入的物质量）（留入的物质量）J1-（留出的物质量）留出的物质量）J2下页下页后退后退扩散第二定律扩散第二定律D 常数常数下页下页后退后退四、扩散方程的应用四、扩散方程的

6、应用 误差函数解误差函数解1.无限长棒的扩散第二方程解无限长棒的扩散第二方程解设有两根很长且截面均匀的合金棒，棒设有两根很长且截面均匀的合金棒，棒A1浓度浓度C2,棒棒B浓度浓度C1（C2C1），），将两棒对焊，其焊面垂直将两棒对焊，其焊面垂直于于x轴，然后加热进行扩散。轴，然后加热进行扩散。x0,则则C=C1初始条件初始条件：t=0,xC2，则距表面则距表面x处的碳浓度即可用上述解。处的碳浓度即可用上述解。下页下页后退后退3.在渗碳问题中，常规定碳浓度作为渗碳层的界限，在渗碳问题中，常规定碳浓度作为渗碳层的界限，令此给定值为令此给定值为C0，距表面为距表面为x处，则：处，则：式中式中左边为已

7、知量，查表左边为已知量，查表7-1，反查求得，反查求得 的数的数值，设值，设 ,则渗碳层厚度：则渗碳层厚度：表明渗层厚度与渗碳时间及扩散系数表明渗层厚度与渗碳时间及扩散系数D的平方根成正比。的平方根成正比。下页下页后退后退例题例题有一有一20钢齿轮气体渗碳，渗碳钢齿轮气体渗碳，渗碳层的温度是层的温度是927，炉内渗碳气，炉内渗碳气氛控制使工件表面含碳量氛控制使工件表面含碳量c为为0.9%，试计算距表面，试计算距表面0.5mm处处含碳量含碳量c达到达到0.4%时所需的时时所需的时间。假定碳在间。假定碳在927 时的扩散时的扩散系数为系数为D=1.281011 m2.s1下页下页后退后退返回返回第

8、二节第二节 扩散机制扩散机制一、扩散的微观机制概述一、扩散的微观机制概述一、扩散的微观机制概述一、扩散的微观机制概述空位机制空位机制间隙机制间隙机制自间隙机制自间隙机制原子跃迁的距离：原子跃迁的距离：原子跃迁的距离：原子跃迁的距离：二、互扩散和柯肯达尔效应二、互扩散和柯肯达尔效应二、互扩散和柯肯达尔效应二、互扩散和柯肯达尔效应 由于原始界面的移动，界面移向原子扩散由于原始界面的移动，界面移向原子扩散速率较大的一方，这种现象称为速率较大的一方，这种现象称为柯肯达而效应柯肯达而效应。下页下页后退后退三、扩散系数的计算：三、扩散系数的计算：原子的跳动频率，取决与原子本原子的跳动频率，取决与原子本 性

9、和温度。性和温度。跳迁方向几率跳迁方向几率 跃迁距离跃迁距离后退后退 下页下页四、四、四、四、扩散激活能扩散激活能扩散激活能扩散激活能间隙扩散激活能间隙扩散激活能空位扩散激活能空位扩散激活能D0 扩散常数扩散常数 间隙扩散激活能。代表间隙扩散时间隙扩散激活能。代表间隙扩散时间隙溶质原子跳动所需的额外内能间隙溶质原子跳动所需的额外内能 空位形成能空位形成能下页下页后退后退置换型溶质的扩散激活能置换型溶质的扩散激活能间隙型溶质的扩散激活能间隙型溶质的扩散激活能.空位扩散时溶质原子空位扩散时溶质原子与空位交换位置（即溶与空位交换位置（即溶质原子跳动）所需的能质原子跳动）所需的能量。量。Em下页下页后

10、退后退第三节第三节 影响扩散的因素与扩散驱动力影响扩散的因素与扩散驱动力一、影响扩散的因素一、影响扩散的因素1、D0、Q、T的影响的影响扩散系数扩散系数D可用下式表示：可用下式表示：D扩散常数，扩散常数，Q扩散激活能扩散激活能R气体常数，气体常数，T热力学温度热力学温度后退后退 下页下页2、影响激活能、影响激活能Q的主要因素的主要因素（1）扩散机制）扩散机制（2）晶体结构）晶体结构（3）原子结合力）原子结合力（4）合金成分）合金成分影响因素影响因素内因：组织、结构、化内因：组织、结构、化学成分学成分外因：温度、应力、压外因：温度、应力、压力、介质力、介质下页下页后退后退（1）温度增高，原子振动

11、能增加，借）温度增高，原子振动能增加，借助于能量助于能量 起伏而越过势垒进行迁移的起伏而越过势垒进行迁移的原子几率越大。原子几率越大。（2）温度增高，金属内部的空位浓度）温度增高，金属内部的空位浓度提高，有提高，有 利于扩散。利于扩散。温度是影响扩散系数的最主要因素，温度是影响扩散系数的最主要因素，D与与T成指数关系，随着温度的升高，扩成指数关系，随着温度的升高，扩散系数急剧增大，扩散加剧，这是由于：散系数急剧增大，扩散加剧，这是由于：一、温度一、温度后退后退下页下页故间隙溶质原子的扩散比置换溶质原子故间隙溶质原子的扩散比置换溶质原子的扩散快得多。例如：的扩散快得多。例如：927，C在在r-F

12、e中的扩散激活能中的扩散激活能Q=140000J/mol,而而Ni为为Q=283000J/mol,显然要小得多，故生产显然要小得多，故生产中要获得相同的渗层，渗中要获得相同的渗层，渗C、N要比渗金要比渗金属如属如Cr、Al的周期短的周期短。二、固溶体类型二、固溶体类型三、晶体结构类型三、晶体结构类型后退后退下页下页1.有些金属存在同素异构转变，当它们的晶有些金属存在同素异构转变，当它们的晶体结构改变后，扩散系数也随之改变。例体结构改变后，扩散系数也随之改变。例如：如：Fe在在912 发生发生 转变时转变时，Fe的自扩散系数大约是的自扩散系数大约是 中自扩中自扩散系数的散系数的245倍。倍。2.

13、所有元素在中的扩散系数都比在中的大。所有元素在中的扩散系数都比在中的大。例如：例如：后退后退下页下页900时，时，Ni在在 中的扩散系数比中的扩散系数比 中中扩散系数约大扩散系数约大1400倍。倍。527 时，时，N在在 中的扩散系数比中的扩散系数比 中中扩散系数约大扩散系数约大1500倍。倍。原因：原因：致密度致密度K小小原子紧密堆垛，结构中空隙大，原子较易扩散。原子紧密堆垛，结构中空隙大，原子较易扩散。致密度致密度K大大后退后退下页下页 在金属及合金中，扩散既可以在晶内在金属及合金中，扩散既可以在晶内进行，也可以沿外表面、晶界、相界及位进行，也可以沿外表面、晶界、相界及位错线进行。错线进行

14、。四、晶体缺陷四、晶体缺陷1.对一定的晶体结构来说，表面扩散最快，对一定的晶体结构来说，表面扩散最快，晶界次之，亚晶界又次之，晶内扩散最慢，晶界次之，亚晶界又次之，晶内扩散最慢，即扩散速度：晶内即扩散速度：晶内亚晶界亚晶界晶界晶界表面表面.2.原子沿位错、空位等缺陷处的扩散比完整原子沿位错、空位等缺陷处的扩散比完整晶体的内部扩散要容易得多。晶体的内部扩散要容易得多。后退后退下页下页五、化学成分五、化学成分1.加入合金元素影响合金熔点时的情况当加加入合金元素影响合金熔点时的情况当加入合金元素使合金的熔点降低时，则该合金入合金元素使合金的熔点降低时，则该合金元素会使在任何温度下的扩散系数。元素会使

15、在任何温度下的扩散系数。2.合金元素对碳在合金元素对碳在r-Fe中扩散系数的影响中扩散系数的影响（1）形成碳化物的元素，如）形成碳化物的元素，如W、Mo、Cr等，由于它们和碳的亲和力较大，能够强等，由于它们和碳的亲和力较大，能够强烈碳的扩散，因而降低碳的扩散系数。烈碳的扩散，因而降低碳的扩散系数。后退后退下页下页（2）不能形成稳定碳化物）不能形成稳定碳化物,但易溶解于碳但易溶解于碳化物中的元素，如锰（化物中的元素，如锰（Mn）、）、它们对碳的它们对碳的扩散系数影响不大。扩散系数影响不大。（3）不形成碳化物而溶于固溶体中的元素）不形成碳化物而溶于固溶体中的元素,如钴（如钴（Co）、）、镍（镍（N

16、i）、）、硅（硅（Si）等，它们等，它们的影响个不相同。的影响个不相同。Co、Ni提高碳的扩散系提高碳的扩散系数数,Si则降低碳的扩散系数。则降低碳的扩散系数。六、扩散理论新的研究方法及应用六、扩散理论新的研究方法及应用后退后退下页下页1.在化学热处理中的应用在化学热处理中的应用（1）微机控制扩散过程）微机控制扩散过程（2）扩散速度问题快速深层渗氮技）扩散速度问题快速深层渗氮技术的应用术的应用（3）提高表面化学热处理效果在相）提高表面化学热处理效果在相变点变点A1或或A3时循环加热时循环加热,材料表面处材料表面处于活化状态，具有极大扩散能力于活化状态，具有极大扩散能力,显显著提高化学热处理的渗

17、入效果。著提高化学热处理的渗入效果。后退后退下页下页2.材料中与扩散现象相关过程材料中与扩散现象相关过程的扩散规律分析如：分析单晶的扩散规律分析如：分析单晶成长过程中的分凝特性及扩散成长过程中的分凝特性及扩散规律。规律。3.半导体材料锗和硅，当中渗半导体材料锗和硅，当中渗硅时，可提高其性能。硅时，可提高其性能。后退后退下页下页1.试说明钢渗碳为什么在奥氏体状态试说明钢渗碳为什么在奥氏体状态下进行而不在铁素体状态下进行？下进行而不在铁素体状态下进行？2.说明晶体中的原子扩散机制？说明晶体中的原子扩散机制？3.举例说明扩散规律在冶金生产过程举例说明扩散规律在冶金生产过程和热处理工艺中的应用。和热处

18、理工艺中的应用。4.指明指明Fick第二定律数学表达式的适第二定律数学表达式的适用条件？用条件？后退后退下页下页扩散驱动力：化学位梯度扩散驱动力：化学位梯度Di=MikT1+dlnidlnCi可见，当可见，当1+0，Di为正值，即为通常的下坡扩散为正值，即为通常的下坡扩散。当当1+0，Di为为负值，即为上坡扩散负值，即为上坡扩散。dlnidlnCidlnidlnCi后退后退下页下页返回返回第四节第四节 有关扩散的实际问题有关扩散的实际问题反应扩散反应扩散：伴随有相变过程的扩散：伴随有相变过程的扩散反应扩散取决于两个因素反应扩散取决于两个因素反应速度反应速度原子扩散速度原子扩散速度若由若由原子扩

19、散控制，则反应扩散厚度与时原子扩散控制，则反应扩散厚度与时间呈抛物线关系。若由反应控制，则反应间呈抛物线关系。若由反应控制，则反应扩散层厚度与时间呈直线关系。扩散层厚度与时间呈直线关系。后退后退下页下页一、离子晶体的扩散一、离子晶体的扩散离子晶体中主要有两种缺陷，对于主要是离子晶体中主要有两种缺陷，对于主要是肖特基缺陷的扩散类似于金属中的空位扩肖特基缺陷的扩散类似于金属中的空位扩散机制（图散机制（图7-14c）；）；对于主要是弗兰克缺对于主要是弗兰克缺陷，则被称为自间隙机制（图陷，则被称为自间隙机制（图7-14a、b）。）。自间隙机制与金属中的间隙机制不同，它自间隙机制与金属中的间隙机制不同，

20、它是先产生间隙式的阳离子，使邻近的处于是先产生间隙式的阳离子，使邻近的处于正常点阵位置的阳离子移位，然后挤入间正常点阵位置的阳离子移位，然后挤入间隙；金属中间隙原子的扩散，一直是在正隙；金属中间隙原子的扩散，一直是在正常的间隙空位中跳动。常的间隙空位中跳动。后退后退下页下页后退后退下页下页二、烧结二、烧结烧结过程如下：将压实的粉末加烧结过程如下：将压实的粉末加热到高温，在初期，相互接触的热到高温，在初期，相互接触的颗粒开始逐渐形成颈的连接（图颗粒开始逐渐形成颈的连接（图7-15）烧结初期主要是表面扩散，烧结初期主要是表面扩散，后期主要是晶界扩散。烧结速率后期主要是晶界扩散。烧结速率主要取决于两

21、个因素主要取决于两个因素：粉末原粉末原材料的颗粒粗细；材料的颗粒粗细；原子的扩散原子的扩散速率，这决定于温度。速率，这决定于温度。后退后退下页下页后退后退下页下页返回返回第五节第五节 固态相变中的形核固态相变中的形核一、固相的相界面一、固相的相界面1、共格晶面共格晶面：新相与母相在界面上原子：新相与母相在界面上原子匹配很好，最理想的情况是两相的晶体结匹配很好，最理想的情况是两相的晶体结构相同，晶格常数也相等，两者能实现完构相同，晶格常数也相等，两者能实现完全的共格，界面能也最小全的共格，界面能也最小（图（图7-16a）。如如fcc与与hcp的共格晶面如的共格晶面如图图7-17。2、半共格界面半

22、共格界面（图图7-16b）。）。3、非共格界面非共格界面（图图7-16c）。）。后退后退下页下页后退后退下页下页返回返回第六节第六节 固态相变的晶体成长固态相变的晶体成长一、扩散控制长大一、扩散控制长大 设合金的成分为设合金的成分为C0，现从母相现从母相中析出新相中析出新相，新相富含溶质原子，成分为新相富含溶质原子，成分为C，最初形成的最初形成的新相为板状或厚片状，两相在界面上的平衡浓新相为板状或厚片状，两相在界面上的平衡浓度为度为Ce。板条要加厚，其生长速度决定于界面板条要加厚，其生长速度决定于界面的迁移速度，必须在界面上获得溶质原子的供的迁移速度，必须在界面上获得溶质原子的供应，这就要求母

23、相源源不断地把溶质原子输送应，这就要求母相源源不断地把溶质原子输送到界面上，这种通过长程扩散使新相得以长大到界面上，这种通过长程扩散使新相得以长大的方式叫扩散控制长大。的方式叫扩散控制长大。后退后退下页下页二、界面控制长大二、界面控制长大 界面控制长大即新相生界面控制长大即新相生长时界面迁移速度很慢，母长时界面迁移速度很慢，母相中溶质原子相对地说，总相中溶质原子相对地说，总是能随时扩散到界面上保证是能随时扩散到界面上保证溶质原子的供应，因而，新溶质原子的供应，因而，新相的长大最终取决于界面反相的长大最终取决于界面反应速度。应速度。后退后退下页下页返回返回返回晶体点阵中的空位机制晶体点阵中的空位机制返回晶体点阵中的间隙机制晶体点阵中的间隙机制返回晶体点阵中的自间隙机制晶体点阵中的自间隙机制返回扩散的激活能扩散的激活能返回本章首页返回本章首页返回目录返回目录