金属学与热处理第八章扩散ppt课件.ppt

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1、第八章第八章 扩散扩散8-1概概 述述一一.扩散的现象和本质扩散的现象和本质(一一)柯肯达尔效应柯肯达尔效应 人们对气体和液体中的扩散现象并不陌生，虽然扩散现象在固态物质中不易察觉，但确实存在的.扩散前：扩散前：Zn-Cu扩散后：出现黄铜区扩散后：出现黄铜区扩散后：黄铜区扩大扩散后：黄铜区扩大(二二)扩散的能量条件扩散的能量条件 当原子从一个平衡位置到另一个平衡位置时，首先要打破周围原子对它的束缚，它就要有足够的能量（能量处于高峰），越过势垒后，原子又处于低谷回到平衡位置。金属中的原子都处于规则排列整列的平衡位置，它受到其周围原子对它的它受到其周围原子对它的作用，达到平衡作用，达到平衡，处于能

2、量最低态（如图）。原子克服势垒所必须的能量称为激活能，它在原子克服势垒所必须的能量称为激活能，它在数值上等于势垒的高度数值上等于势垒的高度Q Q。一 原原子子结结合合力力越越大大，则则势势垒垒越越高高，激激活活能能越越大大，原原子子依依靠靠能能量量起起伏伏被被激激活活，以以实实现现跃跃迁迁越越困困难难。显然温度越高，原子热震动越大，能实现跃迁的原子数目越多，几率越大。原原子子跃跃迁迁是是向向各各个个方方向向的的，且且几几率率相相等等。要要想想实实现现宏宏观观扩扩散散效效果果，就就要要求求晶晶体体周周期期场场的的势势能能曲曲线线是是倾倾斜斜的的。这样由平衡态1到平衡态2的跃迁几率较大，这样才能实

3、现宏观的原子扩散。二12由上由上可知可知二二.扩散机理扩散机理 扩散的本质是原子依靠热运动从一个位置迁移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到另一个位置。扩散是依靠原子的运动来实现的，而原子运动除了要克服势垒克服势垒，还要有恰当的位置有恰当的位置。不不同同的的金金属属或或合合金金，其其扩扩散散机机制制是是不不同同的的。目目前前，被被大大家家所所公公认认的的扩扩散散机机制制由由如如下下几几种种：间间隙隙扩扩散散机机制制；换换位位扩散机制；空位扩散机制等扩散机制；空位扩散机制等。1）在在间间隙隙固固溶溶体体中中，溶质原子由由一一个个间间隙隙位位置置跳跳到到其其相邻的另一间隙位置相邻

4、的另一间隙位置，即为间隙扩散。(一一)间隙扩散间隙扩散 这种方式进行扩散的可能性很大，因为在间隙固溶体中，溶质原子只占据少量间隙位置，即每个间隙原子周围都有较多的间隙位置是空着的，故供其跃迁的位置很多。2）置置换换固固溶溶体体，溶质或者溶剂原子从从平平衡衡位位置置跳跳到到间间隙位置隙位置，然后再跳到邻近的其它间隙位置再跳到邻近的其它间隙位置进行扩散。但是处于平衡位置的原子要跳入很小的间隙位置，还要通过两个原子之间更小的间隙跳到另一个位置是很困难的。为此提出了两种扩散模型：(二二)换位扩散换位扩散 在置换固溶体或纯金属中，各组元原子的直径在置换固溶体或纯金属中，各组元原子的直径与间隙相比要大得多

5、，所以只能进行置换扩散与间隙相比要大得多，所以只能进行置换扩散。但一个平衡位置不能容纳两个原子，故最早提出了直接换位扩散机制，相相邻邻原原子子通通过过交交换换位位置置进进行行迁迁移移，但这个过程伴随了很大的晶格畸变，很难实现。后又提出了环环形形换换位位机机制制，即相相邻邻的的三三四四个个原原子子同同时时进进行行环环形形旋旋转转式式交交换换位位置置。显然，这种机制引起的畸变小很多，因此此机制可能性很大。(三三)空位扩散机制空位扩散机制 空空位位扩扩散散是是原原子子借借逐逐步步向向其其邻邻近近的的空空位位跳跳动动而而迁迁移移。我们推导过平衡空位浓度，即空位在金属晶体中总是存在的，温度越高，空位浓度

6、越大。由于空位存在，使其周围邻近原子偏离其平衡位置，势能升高，从从而而使使原原子子跳跳入入空空位位所所需需跨跨越越的的势势垒垒高高度度降降低低。这样，相邻原子向空位的跳动就比较容易。由由于于温温度度升升高高导导致致空空位位浓浓度度升升高高，进进而而扩扩散散就就越越容容易易。通过对扩散激活能计算，可知只有空位扩散的激活能与实验值相符，说说明明这这种种机机制制是是固固态态金金属属中中原原子子扩扩散散时时可可能能性性最最大的一种机理大的一种机理。通过前面讨论不难发现三种机制都是通过原子通过前面讨论不难发现三种机制都是通过原子的热运动完成的，是热激活过程，所发生扩散的第的热运动完成的，是热激活过程，所

7、发生扩散的第一条件即温度一条件即温度。三三.固体金属扩散的条件固体金属扩散的条件 扩散过程的驱驱动动力力主主要要是是化化学学位位梯梯度度而不是浓度剃度，是由化学位高位置向化学位低的位置进行扩散。此外还有温度梯度、应力梯度、表面自由能差、及电场和磁场等。(一一)足够的迁移能量足够的迁移能量驱动力（如激活能驱动力（如激活能Q Q）。）。(二二)温度足够高温度足够高。固固态态扩扩散散是是依依靠靠原原子子热热激激活活能能进进行行的的过过程程，必须在足够高的温度才能进行。当温度低于某一温度时，原子被激活的几率很低，扩散几乎不能进行即被“冻结”。C被冻结的温度为100，Fe被冻结的温度为500。(三三)时

8、间足够长时间足够长。扩散原子在晶体中每跃迁一次最多也只能移动0.30.5nm的距离，经过相当长的时间才能造成物质的宏观定向迁移。由这一原理人们设计了由这一原理人们设计了固溶固溶处理，如：铝合处理，如：铝合金的金的固溶固溶处理，不锈钢的处理，不锈钢的固溶固溶处理等处理等。此外，在热加工刚完成时迅速将金属材料冷却到室温，抑制扩散过程，避免发生静态再结晶，可把动态回复或动态再结晶的组织保留下来，以达到提高金属材料性能的目的。(四四)扩散原子要有固溶扩散原子要有固溶。扩扩散散原原子子在在基基体体金金属属中中必必须须有有一一定定的的固固溶溶度度，能够溶入基体晶格，形形成成固固溶溶体体，这样才能进行固态扩

9、散。例如钢在铅溶浴中的光亮处理；因为铅不固溶于铁。如果要防腐在钢表面粘覆一层铅就需要加入锡。锡溶于钢中，可形成一层镀层。固溶处理示意图固溶处理示意图扩散与浓度扩散与浓度梯度方向关系梯度方向关系是否出是否出现新相现新相固体固体扩散扩散四四.固体扩散的分类固体扩散的分类是否发生是否发生浓度变化浓度变化(一一)按扩散过程中是否发生浓度变化分为按扩散过程中是否发生浓度变化分为：1)自自扩扩散散:不不伴伴随随浓浓度度变变化化的的扩扩散散，只发生在纯金属和均匀固溶体中，例如晶粒长大，驱动力是表面能的降低；1)下下坡坡扩扩散散:下下坡坡扩扩散散是是沿沿着着浓浓度度降降低低的的方方向向扩扩散散，如渗碳、均匀化

10、退火；2)互互扩扩散散,伴伴随随有有浓浓度度变变化化的的扩扩散散，与浓度梯度有关，这类扩散又称为“化学扩散”或者“异扩散”。(二二)按扩散按扩散方向与浓度梯度的方向的关系分为：方向与浓度梯度的方向的关系分为：2)上上坡坡扩扩散散:沿沿着着浓浓度度升升高高的的方方向向进进行行的的扩扩散散，如珠光体形成时，碳原子由浓度低的A向碳浓度高的Fe3C的扩散。此外，弹性应力梯度如图所示的电位梯度。此外，温度梯度等作用下也可发生上坡扩散。又如图所示，Si提高了C的化学位，使碳向着无硅一侧扩散。1）原原子子扩扩散散：在在扩扩散散过过程程中中基基体体晶晶格格始始终终不不变变，无无新相产生；新相产生；2）反反应应

11、扩扩散散：通通过过扩扩散散使使固固溶溶体体的的溶溶质质组组元元浓浓度度超超过过固固溶溶极极限限后后形形成成新新相相的的扩扩散散称称为为反反应应扩扩散散，新相可以是新固溶体或各种化合物（P219图88）。(三三)按扩散过程是否出现新相分为按扩散过程是否出现新相分为：由相图定律解释：在常压下，F=C-P+1，当温度一定时，F=C-P，单相区C=2，P=1，则F=1说明一个自由度成分可变；两相区F=0，浓度不变，其数值分别等于其相邻两单相区浓度。所所以以二二元元系系的的扩扩散散层层中中不不可可能能存存在两相区，每一层都为单相区。在两相区，每一层都为单相区。反应扩散的特点：相界处产生浓度突变，突变浓反

12、应扩散的特点：相界处产生浓度突变，突变浓度等于极限固溶度（见度等于极限固溶度（见P219P219图图8 89 9）。）。扩散通量J:单位时间通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量。8-2扩散定律扩散定律一一.菲克第一定律菲克第一定律浓度只是距离的函数即C=f(x)，即每一时刻从左边扩散来多少原子就从右边扩散走多少原子。稳定态扩散：扩散过程中各处的浓度只随距离变化而不随时间变化的扩散过程。稳态可以理解为两个浓度不同（C1C2）的金属棒料对焊加热到高温，原子从C1扩散到C2浓度变化如图:定义：在扩散过程中，在单位时间内通过垂直定义：在扩散过程中，在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩

13、散通量于扩散方向的单位截面积的扩散通量J与浓度梯与浓度梯度度dC/dx成正比。即成正比。即：其中D为扩散系数，负号表示扩散由高浓度到低浓度，dC/dx为浓度梯度。D的物理意义：相当于浓度梯度等于1时的扩散通量J，D值越大，扩散越快。二二.菲克第二定律菲克第二定律 该定律适用于浓度不随时间变化的稳态扩散过程该定律适用于浓度不随时间变化的稳态扩散过程。适用于非稳定态扩散，即在在扩扩散散过过程程中中，各各处处的的浓浓度度不仅随距离变化，而且还随时间发生变化不仅随距离变化，而且还随时间发生变化。菲克第一定律表明，只要材料中有浓度梯度，扩散就会由高浓度区向低浓度区进行，而且扩散通量与浓度梯度成正比。J1

14、J2dx 由相距为dx的两个垂直于x轴的平面所取出的微小体积，横截面积为A，箭头表示扩散方向。J1、J2分别表示流入流出微小体积的碳扩散通量。由物质的平衡关系可得出：（在微小体积中积存的物质量在微小体积中积存的物质量）=（流入微小体积流入微小体积的物质量）的物质量）-（流出为小体积的物质量（流出为小体积的物质量）J设图中两平面的截面积均为A所以由图可知：流入微小体积的物质量 J1 A流出微小体积的物质量 J2 A 微小体积的物资积存速率 J1AJ2 A（1 1）如果用用体体积积浓浓度度C的的变变化化速速率率表表示示微微小小体体积积的的物物资资积积存存速速率率,则在微小体积Adx内的物资积存速率

15、为：(2)(2)式（1）与式（2）相等，则可得 即：（3 3）将扩散第一定律代入（3）有：（4）式（4）即为菲克第二定律，如如果果扩扩散散系系数数是是D与与浓浓度度无无关关的常数的常数，则式(4)可写为：菲菲克克第第二二定定律律普普适适于于一一般般的的扩扩散散过过程程，但它是微分方程，不能直接应用，所以必须结合实际的扩散过程，运用具体的起始和边界条件求其解后才能应用。三三.扩散方程在生产中的应用举例扩散方程在生产中的应用举例钢铁渗碳中钢铁渗碳中 的应用的应用 将纯铁工件放在渗碳炉中加热渗碳，则工件表面将根据炉内温度和渗碳气体的情况而迅速的达到一一定定的的碳碳浓浓度度C0并并保保持持不不变变，同

16、时碳原子不断的从从表表面面向向内内部部扩扩散散，渗碳层中碳浓度分布、深度和时间的关系可按上述的求解方法得出（如前图右边的棒相似，即x=0的情况，即半无限棒）。x=0C=C 0 x=C=0钢铁渗碳处理钢铁渗碳处理解：对于半无限长棒有：初始条件为：边界条件为：可得方程的解为：假定渗碳温度为920，工件表面达到的碳浓度为1.3，扩散系数：渗碳时间为10小时，也即，则表层的碳浓度分布为：求出对应于不同x的碳浓度，可作C-x 曲线。故渗渗碳碳所所需需的的时时间间与与所所要要求求的的渗渗碳碳层深度的平方成正比关系层深度的平方成正比关系。即为误差解即为误差解，1.1.薄膜解（如镀、渗表面）薄膜解（如镀、渗表

17、面）又被称为又被称为高斯解高斯解此外还有两种解：2 2正弦解（如书正弦解（如书P221-222P221-222）8-3影响扩散的因素影响扩散的因素 由扩散第一定律可以看出，单单位位时时间间内内扩扩散散的的快快慢慢主主要要取取决决于于扩扩散散系系数数D和和浓浓度度梯梯度度。当工艺条件确定，浓度梯度就基本不变，因此在在一一定定的的条条件件下下，扩扩散散的的快快慢慢主主要要取取决决于于扩扩散散系系数数。扩扩散散系系数数与与温温度度和和扩扩散散激激活活能能等有关等有关，可用下式表示：其中，D为扩散系数，D0为扩散常数，R为气体常数，Q为扩散激活能，T为绝对温度。这这表表明明，温温度度和和能能够够改改变

18、变D0和和Q的因素都影响着扩散过程的因素都影响着扩散过程。由上式可知D与温度成指数关系，可见温度对扩散速度的影响很大。温温度度是是影影响响扩扩散散系系数数的的最最主主要要因因素素。温温度度越越高高，原原子的能量越大，越容易发生迁移，扩散系数越大。子的能量越大，越容易发生迁移，扩散系数越大。例如：碳在 中扩散时,由上述可计算出在927 和1027 时碳的扩散系数分别为：温度提高了一百摄氏度，扩散系数增大了三倍，因此生产上各种受扩散控制的过程都要考虑温度的重大影响。一一.温度温度二二.固溶体类型固溶体类型 不同类型的固溶体，原子的扩散机制是不同的。一一般般间间隙隙固固溶溶体体的的扩扩散散激激活活能

19、能比比置置换换固固溶溶体体的的扩扩散散激激活活能能小小，如碳、氮在钢中的扩散速度比铬、镍等快。如：在927 时，碳在 中扩散时 镍在 的扩散常数为 间隙原子碳的扩散系数比置换原子镍大的多 01原原子子扩扩散散激激活活能能取取决决于于原原子子间间的的结结合合能能，结结合合能能即即键键能能越越高高，熔熔点点越越高高，扩扩散散激激活活能越高，扩散越困难能越高，扩散越困难02一一般般元元素素在在-Fe-Fe中中的的扩扩散散都都比比在在-Fe-Fe中中的的大大，其其原原因因是是bccbcc点点阵阵的的致致密密度度小小，原原子子易易迁迁移移。一一般般致致密密度度越越大大，原子扩散越慢。原子扩散越慢。三三.

20、键能和晶体结构键能和晶体结构 不不同同结结构构基基体体对对扩扩散散原原子子的的溶溶解解度度不不同同，所所造造成成的的浓浓度度梯梯度度不不同同，也也会会影影响响扩扩散散速速度度，溶溶解解度度越越大大，渗渗层深度越大。层深度越大。04晶晶体体的的各各向向异异性性也也影影响响到到扩扩散散进进行行。尤尤其其是是对对称称性性较较低低的的晶晶体体结结构构。如如在在密密排排六六方方中中，340340410 410 范范围围加加热热时时，垂垂直直Z Z 轴轴的的D D要要比比平平行行Z Z 轴的大轴的大200200倍。倍。03 应当指出的是：尽管碳原子在 中的扩散系数比 中的大，但渗碳温度仍选在奥氏体区渗碳温

21、度仍选在奥氏体区。一方面一方面是由于奥氏体溶碳能力远大于铁素体是由于奥氏体溶碳能力远大于铁素体，可获得较大的渗层深度，另一方面考虑到温度的影响另一方面考虑到温度的影响，温度提高，扩散系数也将大大增加。四四.晶体缺陷晶体缺陷 固体金属中原子的扩散途径除了体扩散体扩散外，还有表面表面扩散、晶界扩散、相界及位错扩散（见扩散、晶界扩散、相界及位错扩散（见P227P227），其中后三后三种是借助于晶格畸变，比第一种快，又称种是借助于晶格畸变，比第一种快，又称“短路扩散短路扩散”。金金属属原原子子在在晶晶界界上上的的扩扩散散比比晶晶粒粒内内部部快快得得多多，其原因在于晶晶界界处处点点阵阵畸畸变变较较大大，

22、原原子子处处于于较较高高的的能能量量状状态态，易于跳动，故晶界扩散激活能比晶内体扩散激活能小得多晶界扩散激活能比晶内体扩散激活能小得多。原原子子沿沿位位错错线线扩扩散散比比体体扩扩散散也也要要容容易易，因为，位位错错线线是是晶晶格格畸畸变变的的管管道道，并互相联通，形成网络。原原子子沿沿着着位位错管道的扩散激活能不到体扩散激活能的一半。错管道的扩散激活能不到体扩散激活能的一半。对于间间隙隙固固溶溶体体，因溶质原子一般较小，易于扩散，因此晶界与晶内扩散系数的差别就不太显著。晶界与晶内扩散系数的差别就不太显著。原子沿金属外部表面的扩散速度比沿晶界还要快。温度低时，晶内扩散、表面扩散和晶界扩散相差较大，温度温度低时，晶内扩散、表面扩散和晶界扩散相差较大，温度越高，差别越小越高，差别越小。五五.化学成分化学成分(一一)合金元素对熔点的影响合金元素对熔点的影响 当加入合合金金元元素素使使合合金金的的熔熔点点或或液液相相线线温温度度降降低低时，则该合金元素会使扩扩散散系系数数增增加加；反之，则使合金扩散系数降低。原因为：溶质或溶剂原子的扩散激活能与点阵中的原子结合 力有关。熔熔点点越越高高，原原子子间间结结合合力力越越强强，而而扩扩散散激活能正比与原子间结合力。激活能正比与原子间结合力。(二二)合金元素对碳在合金元素对碳在 中中扩散系数的影响分三类扩散系数的影响分三类：