第七章材料科学基础精选文档.ppt

《第七章材料科学基础精选文档.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第七章材料科学基础精选文档.ppt（42页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第七章材料科学基础本讲稿第一页，共四十二页第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散本讲稿第二页，共四十二页 扩散扩散：由构成物质的微粒：由构成物质的微粒(离子、原子、分子离子、原子、分子)的的热运热运动而产生的物质迁移现象动而产生的物质迁移现象称为扩散。扩散的宏观表现称为扩散。扩散的宏观表现是物质的定向输送。是物质的定向输送。半导体掺杂半导体掺杂固溶体的形成固溶体的形成离子晶体的导电离子晶体的导电固相反应固相反应相变相变烧结烧结材料表面处理材料表面处理 扩散扩散第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散本讲稿第三页，共四十二页第一节第一节 扩散定律扩散定律 将两根扩散

2、组元相同，将两根扩散组元相同，而浓度分别为而浓度分别为C1、C2（C1C2）的固溶体长棒对焊，）的固溶体长棒对焊，加热到一定温度使之进行扩加热到一定温度使之进行扩散，固溶体长棒中组元浓度散，固溶体长棒中组元浓度分布随时间的变化如左图所分布随时间的变化如左图所示。示。随时间的延长，对焊界面两侧的浓度差别越来越小，这随时间的延长，对焊界面两侧的浓度差别越来越小，这表明在扩散偶中当扩散组元获得足够能量时就发生迁移表明在扩散偶中当扩散组元获得足够能量时就发生迁移,导导致对焊界面附近扩散组元浓度分布的变化。致对焊界面附近扩散组元浓度分布的变化。第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.

3、1 扩散定律散定律本讲稿第四页，共四十二页1 1、稳定扩散和不稳定扩散、稳定扩散和不稳定扩散不稳定扩散：在扩散系统中，扩散物质的浓度随时间而变化，即dc/dt0。这种扩散称为不稳定扩散。稳定扩散：在扩散系统中，若任一点的浓度不随时间而变化，即dc/dt=0。这种扩散称稳定扩散。第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定律本讲稿第五页，共四十二页FickFick的经典实验的经典实验Solid NaCl饱和溶液饱和溶液浓度为浓度为0第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定律本讲稿第六页，共四十二页一、稳态扩散与菲克第一定律一、稳

4、态扩散与菲克第一定律 菲克第一定律描述了稳态扩散下情况下的物质扩散。菲克第一定律描述了稳态扩散下情况下的物质扩散。在稳态扩散的条件下，在稳态扩散的条件下，单位时间内通过垂直于扩散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。与该截面处的浓度梯度成正比。即即单位：扩散通量，单位：扩散通量，J，原子数原子数.m-2s-1或或kg.m-2s-1 扩散系数，扩散系数，D，m2.s-1；浓度梯度，浓度梯度，原子数原子数.m-3或或kg.m-3第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定

5、律本讲稿第七页，共四十二页“-”“-”号表示扩散方向为浓度梯度号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩散由高浓度向低浓的反方向，即扩散由高浓度向低浓度区进行，在一定条件下实现均匀度区进行，在一定条件下实现均匀化。化。二、非稳态扩散与菲克第二定律二、非稳态扩散与菲克第二定律 菲克第一定律适用于稳态扩散菲克第一定律适用于稳态扩散，即在扩散的过程，即在扩散的过程中各处的浓度不随时间的变化而改变，也就是中各处的浓度不随时间的变化而改变，也就是 dc/dt=0。第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定律本讲稿第八页，共四十二页 实际生产中，大多数的扩散过程是实际生产中，

6、大多数的扩散过程是非稳态扩散非稳态扩散，即，即扩散物质的浓度随时间而变化扩散物质的浓度随时间而变化。浓度可表示为时间。浓度可表示为时间与位置的函数：与位置的函数：在此基础上可推导出适用于非稳态扩散的菲克第二定律。在此基础上可推导出适用于非稳态扩散的菲克第二定律。如图所示，设取单位面积为如图所示，设取单位面积为A A长度为长度为 x x的单元体，体积为的单元体，体积为A Ax x，在在dtdt的时间内通过截面流入、流的时间内通过截面流入、流出的物质量为：出的物质量为：第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定律本讲稿第九页，共四十二页则在则在t时间内留在单元体内

7、的扩散物质量为：时间内留在单元体内的扩散物质量为：由偏倒数定义得：由偏倒数定义得：结合扩散第一方程，则菲克第二定律表达式为结合扩散第一方程，则菲克第二定律表达式为而且而且第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定律本讲稿第十页，共四十二页扩展到三维空间，有扩展到三维空间，有三、扩散方程的实际应用三、扩散方程的实际应用 扩散是固体材料中物质的唯一传输方式，表面处理、扩散是固体材料中物质的唯一传输方式，表面处理、扩散退火、相变等很多过程与之相关。扩散退火、相变等很多过程与之相关。（一）（一）稳态扩散中扩散第一方程的解稳态扩散中扩散第一方程的解扩散第一方程可直接用于

8、描述稳定扩散过程。扩散第一方程可直接用于描述稳定扩散过程。如测定扩散系数如测定扩散系数D。第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定律本讲稿第十一页，共四十二页例题例题:将一纯铁空心薄壁管在将一纯铁空心薄壁管在1000进行渗碳处理进行渗碳处理,管管长为长为L,半径为半径为R，经过一定时间当管壁内任意一点的碳，经过一定时间当管壁内任意一点的碳浓度不再变化时，为稳态扩散。浓度不再变化时，为稳态扩散。此时通过管壁的碳量为一常量此时通过管壁的碳量为一常量扩散通量为：扩散通量为：则：则：式中，式中，q、L、t及碳含量沿管壁的径向分布均可测量，及碳含量沿管壁的径向分布均可

9、测量，因而可求出扩散系数因而可求出扩散系数D。管壁面积为管壁面积为第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定律本讲稿第十二页，共四十二页第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定律本讲稿第十三页，共四十二页（二）非稳态扩散中扩散第二方程的解（二）非稳态扩散中扩散第二方程的解通常有高斯解、误差函数解和正弦解等。通常有高斯解、误差函数解和正弦解等。1 误差函数解及应用误差函数解及应用 适用于数学意义上适用于数学意义上无限长或半无限长物体的非稳态无限长或半无限长物体的非稳态扩散扩散（扩散时两端成分不受影响）（扩散时两端成分不受影响）

10、（1）无限长棒中的扩散模型）无限长棒中的扩散模型 如图，将两个具有相同扩散如图，将两个具有相同扩散组元而其浓度不同的组元而其浓度不同的“无限无限”长试样对焊，构成一扩散偶，长试样对焊，构成一扩散偶，经加热到一定温度保温，其浓经加热到一定温度保温，其浓度分布将随扩散时间及相对于度分布将随扩散时间及相对于对焊界面的距离而变化。对焊界面的距离而变化。第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定律本讲稿第十四页，共四十二页 由于试样由于试样“无限无限”长，扩散时长，扩散时试样两端试样两端（x=处）处）浓度保持不变浓度保持不变，只是对焊面附近浓度发生变化。，只是对焊面附近

11、浓度发生变化。用菲克第二定律结局这类问题时，可以确定初始条件用菲克第二定律结局这类问题时，可以确定初始条件和边界条件为：和边界条件为：初始条件：初始条件：边界条件：边界条件：由上述条件及菲克第二定律方程式可得出扩散第二方程由上述条件及菲克第二定律方程式可得出扩散第二方程的解为的解为:（1）第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定律本讲稿第十五页，共四十二页式中，式中，称为误差函数，其表达式为称为误差函数，其表达式为 由上式可以求出经过一段时间由上式可以求出经过一段时间t后，距离界面为后，距离界面为x处处的扩散组元的浓度的扩散组元的浓度C；或者求出给定的扩散距

12、离；或者求出给定的扩散距离x处组处组元浓度为元浓度为C时所需的时间时所需的时间t。在在x=0处，处，C=在扩散过程中保持不变。在扩散过程中保持不变。第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定律本讲稿第十六页，共四十二页第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定律本讲稿第十七页，共四十二页（2）半无限长物体的扩散模型）半无限长物体的扩散模型半无限长物体指一个具有足够长度的扩散体。半无限长物体指一个具有足够长度的扩散体。设有一根足够长（厚）的低碳钢棒进行渗碳处理，设有一根足够长（厚）的低碳钢棒进行渗碳处理，其原始碳浓度为其原始碳浓

13、度为C0，渗碳气氛的碳浓度为，渗碳气氛的碳浓度为Cs，在在t时间内，时间内，试样表面扩散组元的浓度试样表面扩散组元的浓度Cs被维持为常数，被维持为常数，由于试样足够长由于试样足够长（厚），另一端（心部）不受影响。（厚），另一端（心部）不受影响。假设一开始，其端面浓度即达到假设一开始，其端面浓度即达到Cs并保持不变，则初始并保持不变，则初始条件和边界条件为：条件和边界条件为：第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定律本讲稿第十八页，共四十二页初始条件：初始条件：t=0,x0时，时，C=C0边界条件：边界条件：由上述条件及菲克第二定律方程式可得出扩散第二方程由上

14、述条件及菲克第二定律方程式可得出扩散第二方程的解为的解为:（2）第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定律本讲稿第十九页，共四十二页 实际意义：低碳钢的渗碳处理，材料的原始含碳量实际意义：低碳钢的渗碳处理，材料的原始含碳量为为C C0 0，热处理时外界条件保证其表面的碳含量始终维持在，热处理时外界条件保证其表面的碳含量始终维持在C Cs s (碳势碳势)，经过一段时间，经过一段时间t t后，求材料的表面附近后，求材料的表面附近x x处碳含量的处碳含量的情况。情况。实际应用时，若给定渗层厚度实际应用时，若给定渗层厚度x处的浓度为定值处的浓度为定值C，则，则上式

15、可改写为：上式可改写为：上式左边为已知值，则上式左边为已知值，则 为定值，所以有为定值，所以有 即即规定浓度的渗层厚度正比于渗碳时间的平方规定浓度的渗层厚度正比于渗碳时间的平方根根。第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定律本讲稿第二十页，共四十二页例例1：对一足够长的原始碳含量为对一足够长的原始碳含量为wC=0.1%的低碳钢的低碳钢棒在棒在930下进行下进行渗碳，设渗碳开始后棒材表面碳含量即渗碳，设渗碳开始后棒材表面碳含量即达到达到wC=1%且始终保持着一浓度且始终保持着一浓度,试求渗碳进行试求渗碳进行4h后后距表面为距表面为4X10-4m处的碳浓度处的碳

16、浓度C。（已知。（已知D=1.61X10-12m2/s解：这是半无限长物体的非稳态扩散问题，利用方解：这是半无限长物体的非稳态扩散问题，利用方程式（程式（2）可得：可得：第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定律本讲稿第二十一页，共四十二页查表并利用内插法得：查表并利用内插法得：则则C=1%-（1%-0.1%)X0.937=0.157%2 扩散第二方程的扩散第二方程的高斯解高斯解及应用及应用适用于：扩散组元先集中在表面形成一层厚度可忽略的适用于：扩散组元先集中在表面形成一层厚度可忽略的薄膜，在扩散中其总量保持定值薄膜，在扩散中其总量保持定值M。初始条件：初始

17、条件：边界条件：边界条件：t0，C=0，x=时时其解为其解为:（3）第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定律本讲稿第二十二页，共四十二页 如果沉积薄层处于一对扩散偶的对焊面上，则扩散变为如果沉积薄层处于一对扩散偶的对焊面上，则扩散变为向左右两侧扩散，若组成扩散偶的两个扩散体性质完全相向左右两侧扩散，若组成扩散偶的两个扩散体性质完全相同，则同，则(3)式可改写为：式可改写为：（4）由上式知，在一定由上式知，在一定温度下扩散一定时间温度下扩散一定时间后，扩散组元浓度将后，扩散组元浓度将以对焊界面为中心呈以对焊界面为中心呈对成分布。对成分布。第七章第七章 固体材

18、料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定律本讲稿第二十三页，共四十二页例例2 制作半导体元件时，在硅表面涂敷总量为制作半导体元件时，在硅表面涂敷总量为M=9.43X1019原子的硼薄层，加热到原子的硼薄层，加热到1100扩散扩散7X107S后，后，表面硼浓度是多少？表面硼浓度是多少？D=4X10-7m2/S解解:表面处即表面处即x=0,利用高斯解可得利用高斯解可得:第二节第二节 扩散机制扩散机制（一）（一）间隙机制间隙机制1 直接间隙机制直接间隙机制第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.1 扩散定律散定律本讲稿第二十四页，共四十二页 在间隙固溶体中，尺寸较

19、小的溶质原子的扩散是从一个在间隙固溶体中，尺寸较小的溶质原子的扩散是从一个间隙位置跳到近邻的另一间隙位置，发生间隙扩散。间隙位置跳到近邻的另一间隙位置，发生间隙扩散。如图示，原子从位置如图示，原子从位置1跳到相邻的间隙跳到相邻的间隙2时，时，必须推开紧邻的原子必须推开紧邻的原子3、4及附近一些原子，需及附近一些原子，需要克要克服一定的能垒服一定的能垒G=G2-G1，所以，所以只有那些吉布斯自由能高于只有那些吉布斯自由能高于G2的的原子才能发生这样的跃迁。原子才能发生这样的跃迁。第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.2 扩散机制散机制本讲稿第二十五页，共四十二页2 间接间隙

20、机制间接间隙机制 对于原子半径较大的原子，很难直对于原子半径较大的原子，很难直接从一个间隙位置跳到另一个间隙位接从一个间隙位置跳到另一个间隙位置，而是如左图所示，间隙原子置，而是如左图所示，间隙原子A将将晶格阵点上的原子晶格阵点上的原子B挤到附近的间隙挤到附近的间隙位置位置C 或或D，而自己，而自己“填充到该阵点填充到该阵点上去。上去。（二）（二）空位机制空位机制1 空位扩散机制空位扩散机制 在置换固溶体中，由于晶格中存在空位，空位周围的在置换固溶体中，由于晶格中存在空位，空位周围的原子原子(包括溶剂和溶质原子包括溶剂和溶质原子)由热运动可能进入由热运动可能进入第七章第七章 固体材料中的原子扩

21、散固体材料中的原子扩散 7.2 扩散机制散机制本讲稿第二十六页，共四十二页空位，即原子利用空位最后达到迁移，而原来有原子的地方空位，即原子利用空位最后达到迁移，而原来有原子的地方成为新的空位，也可以看作是空位在移动。成为新的空位，也可以看作是空位在移动。扩散进行要求满足两扩散进行要求满足两个条件，个条件，一是有空位一是有空位存在，二是空位周围存在，二是空位周围的原子从原来的平衡的原子从原来的平衡位置进入空位也要具位置进入空位也要具备越过一定能垒的自备越过一定能垒的自由能。由能。2 柯肯达尔效应柯肯达尔效应 柯肯达尔等人用实验证明了置换性固溶体中，扩散组元的扩柯肯达尔等人用实验证明了置换性固溶体

22、中，扩散组元的扩散系数不同，以及扩散是空位机制。散系数不同，以及扩散是空位机制。第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.2 扩散机制散机制本讲稿第二十七页，共四十二页柯肯达尔实验如下柯肯达尔实验如下：在黄铜（在黄铜（Cu-30%Zn)的表面铺设一些很细的的表面铺设一些很细的Mo丝作丝作为标记，然后在其上镀铜，扩散组元是为标记，然后在其上镀铜，扩散组元是Cu和和Zn，Mo不参不参加反应。加反应。先先测测定定标标记记之之间间的的距距离离，放放置置在在785下下保保温温(为为加加快快扩扩散散速速度度)。经经过过一一天天(24hr)后后再再测测量量，发发现现标标记记之之间间的的距距

23、离离缩缩短短了了0.03mm；经经过过56天天后后，标标 记记 之之 间间 的的 距距 离离 缩缩 短短 了了0.248mm。这是由于两种原。这是由于两种原子的扩散速率不同，子的扩散速率不同，Zn向纯铜一侧的扩散量大于向纯铜一侧的扩散量大于Cu向黄铜一向黄铜一侧的扩散通量所致。侧的扩散通量所致。第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.2 扩散机制散机制本讲稿第二十八页，共四十二页 在含有浓度梯度的置换固溶体中，埋入一个惰性在含有浓度梯度的置换固溶体中，埋入一个惰性标记，由于两组元扩散能力不相等，经过扩散后会标记，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。这个现象

24、称为柯肯达尔效应。引起标记的移动。这个现象称为柯肯达尔效应。描述置换固溶体中的扩散方程由描述置换固溶体中的扩散方程由Darken提出。标记移动的速度提出。标记移动的速度N1、N2分别为分别为A组元和组元和B组元的质量分组元的质量分数或摩尔分数；数或摩尔分数；1、2为组元的自为组元的自扩散系数。扩散系数。第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.2 扩散机制散机制本讲稿第二十九页，共四十二页二、原子随机跃迁与扩散系数表达式二、原子随机跃迁与扩散系数表达式（一）原子跃迁的平均距离（一）原子跃迁的平均距离 固体中的原子获得足够能量时，能克服一定的能垒固体中的原子获得足够能量时，能克

25、服一定的能垒以上述方式之一发生跳跃，跳跃一次的距离用矢量以上述方式之一发生跳跃，跳跃一次的距离用矢量ri表示，表示，方向随机。在立方点阵中，原子各次跃迁的长度相等，即方向随机。在立方点阵中，原子各次跃迁的长度相等，即ri=r，经过，经过n次跃迁的唯一矢量记作次跃迁的唯一矢量记作Rn（二）（二）扩散系数表达式扩散系数表达式 图示晶体中两个相邻的晶面图示晶体中两个相邻的晶面1、2，面间距为，面间距为，截面的大，截面的大小为单位面积。小为单位面积。A为溶质原子。为溶质原子。第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.2 扩散机制散机制本讲稿第三十页，共四十二页A原子原子B原子原子21

26、ax 假定在假定在1、2面上的溶质原子数分面上的溶质原子数分别为别为 n1和和 n2。每个原子的跃迁频率。每个原子的跃迁频率是相同的，跃迁方向是随机的，是相同的，跃迁方向是随机的，从晶面从晶面1到晶面到晶面2(或者相反或者相反)的几率的几率都是都是P。在在 时间内从晶面时间内从晶面1跳到晶面跳到晶面2和从晶面和从晶面2跳到晶面跳到晶面1的溶质原的溶质原子数分别为子数分别为如果如果n1 n2，在单位时间从晶面，在单位时间从晶面1到晶面到晶面2的净流量为的净流量为（5）第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.2 扩散机制散机制本讲稿第三十一页，共四十二页两晶面上溶质原子的体积浓

27、度分别为两晶面上溶质原子的体积浓度分别为而而可得：可得：与菲克第一定律对比可得出：与菲克第一定律对比可得出：从微观分析表明，扩散系数与扩散方向相邻晶面的面从微观分析表明，扩散系数与扩散方向相邻晶面的面间距间距、跃迁几率、跃迁几率P P、原子的跃迁频率原子的跃迁频率有关系，前两项有关系，前两项取决于晶体结构与扩散机制，取决于晶体结构与扩散机制，受温度影响较大。受温度影响较大。（6）（7）第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.2 扩散机制散机制本讲稿第三十二页，共四十二页三、扩散激活能三、扩散激活能 原子脱离原来位置跃迁到新位置时必须具有一定的超原子脱离原来位置跃迁到新位置时

28、必须具有一定的超额能量，才能越过能垒，该值称为额能量，才能越过能垒，该值称为扩散激活能，一般扩散激活能，一般用用Q表示表示。Q=G，与扩散机制密切相关，与扩散机制密切相关，原子扩散时原子扩散时的激活能不同，扩散系数的激活能不同，扩散系数D也不同。也不同。（一）间隙扩散系数与扩散激活能（一）间隙扩散系数与扩散激活能（8）D0称为扩散常数，称为扩散常数，k 是波尔兹曼常数，是波尔兹曼常数，E是单个是单个原子以间隙机制跃迁时所需的扩散激活能，可用原子以间隙机制跃迁时所需的扩散激活能，可用Q表示。表示。若考虑每摩尔原子的扩散激活能，则上式为：若考虑每摩尔原子的扩散激活能，则上式为：扩散系数：扩散系数：

29、第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.2 扩散机制散机制本讲稿第三十三页，共四十二页（9）Q为每摩尔原子为每摩尔原子间隙扩散的激活能间隙扩散的激活能(J.mol-1），），R是是摩尔气体常数。摩尔气体常数。（二）空位扩散系数与扩散激活能（二）空位扩散系数与扩散激活能 在置换型固溶体和纯金属的自扩散中，原子以空位机在置换型固溶体和纯金属的自扩散中，原子以空位机制迁移，因而空位浓度会影响扩散过程。制迁移，因而空位浓度会影响扩散过程。此时，扩散系数此时，扩散系数 D为为E为原子跃迁所为原子跃迁所 需的内能，需的内能，Ev为空位形成能，为空位形成能，k为波为波尔茨曼常数尔茨曼常数

30、（10）第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.2 扩散机制散机制本讲稿第三十四页，共四十二页 对照式对照式(8)与式与式(10)可见，以空位机制扩散时，所需可见，以空位机制扩散时，所需的能量还包括的能量还包括空位形成能空位形成能EEv v，因而以空位机制扩因而以空位机制扩散所需的能量比间隙扩散机制要大。散所需的能量比间隙扩散机制要大。令令Q=E+Ev，则式，则式(10)也可以写为也可以写为此处，此处，Q为为置换扩散置换扩散的激活能的激活能 表表7-2给出了几种常见扩散系统的给出了几种常见扩散系统的D0值和值和Q值，从值，从表中可以看出，表中可以看出，置换固溶体和纯金属自扩

31、散的激活置换固溶体和纯金属自扩散的激活能远大于间隙性固溶体的激活能。能远大于间隙性固溶体的激活能。第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.2 扩散机制散机制本讲稿第三十五页，共四十二页第四节第四节 影响扩散的因素影响扩散的因素一、一、温度温度由左式知，由左式知，温度越高，扩散温度越高，扩散系数越大，扩散速率越快系数越大，扩散速率越快。第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.4 影响影响扩散的因素散的因素本讲稿第三十六页，共四十二页将上式两边取对数得：将上式两边取对数得：由于温度对扩散系数影响较大，因而在生产中，对由于温度对扩散系数影响较大，因而在生产中，

32、对于受扩散控制的过程必须考虑温度的影响。于受扩散控制的过程必须考虑温度的影响。第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.4 影响影响扩散的因素散的因素本讲稿第三十七页，共四十二页二、二、原子结合力原子结合力 原子之间的原子之间的结合键力越强结合键力越强，破坏它所需的能量越高，破坏它所需的能量越高，扩散激活能也越大，因而扩散激活能也越大，因而扩散系数越小扩散系数越小。三、三、固溶体类型固溶体类型 间隙固溶体间隙固溶体中间隙原子的扩散激活能要比置换固溶体中间隙原子的扩散激活能要比置换固溶体中置换原子的扩散激活能小得多，中置换原子的扩散激活能小得多，扩散速度也快得扩散速度也快得多多

33、（扩散机制不同）。（扩散机制不同）。扩散激活能越小，扩散越快，因而渗碳比渗铝等快。扩散激活能越小，扩散越快，因而渗碳比渗铝等快。第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.4 影响影响扩散的因素散的因素本讲稿第三十八页，共四十二页四、四、晶体结构晶体结构同一间隙原子在不同结构的晶体中的激活能不同。同一间隙原子在不同结构的晶体中的激活能不同。原子原子排列越紧密排列越紧密，晶体结构的，晶体结构的致密度越高致密度越高，扩散扩散激活能越大，扩散系数越小激活能越大，扩散系数越小。五、五、化学成分化学成分 扩散系数是随溶质浓度而变化的，有些扩散系统如金扩散系数是随溶质浓度而变化的，有些扩散

34、系统如金-镍系统中浓度的变化使镍和金的自扩散系数发生显著地变镍系统中浓度的变化使镍和金的自扩散系数发生显著地变化。化。第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.4 影响影响扩散的因素散的因素 在二元合金中加入第三元素时，扩散系数也会发生变在二元合金中加入第三元素时，扩散系数也会发生变化。化。本讲稿第三十九页，共四十二页如合金元素对碳在如合金元素对碳在r-Fe中中扩散系数的影响：扩散系数的影响：促进碳的扩散，提高促进碳的扩散，提高扩散速率；扩散速率；影响很小；影响很小；阻碍碳的扩散，降低扩阻碍碳的扩散，降低扩散系速率。散系速率。合金元素对碳在合金元素对碳在r-Fe中扩中扩散系数

35、的影响散系数的影响第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.4 影响影响扩散的因素散的因素本讲稿第四十页，共四十二页六、六、晶体缺陷晶体缺陷实际晶体中存在着界面、位错等晶体缺陷，原子也可以沿着实际晶体中存在着界面、位错等晶体缺陷，原子也可以沿着这些晶体缺陷进行扩散，这些晶体缺陷进行扩散，称为称为短路扩散短路扩散。1线缺陷：主要形式是位错，线缺陷：主要形式是位错，位错线附近的溶质原子的浓度高位错线附近的溶质原子的浓度高于平均值；于平均值；原子在位错中沿原子在位错中沿位错线的管道扩散比晶体位错线的管道扩散比晶体中的扩散快中的扩散快。2面缺陷：本身所处于较高的能面缺陷：本身所处于较高的能力状态，对周围原子的束缚力弱，力状态，对周围原子的束缚力弱，相应扩散激活能也就较低。相应扩散激活能也就较低。第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.4 影响影响扩散的因素散的因素本讲稿第四十一页，共四十二页短路扩散只在较低温度时起较重要的作用。短路扩散只在较低温度时起较重要的作用。第七章第七章 固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散 7.4 影响影响扩散的因素散的因素本讲稿第四十二页，共四十二页