CH4固態(tài)中原子及分子的運(yùn)動(dòng)(12級(jí))

1、1/832/83 1. 固態(tài)金屬中原子擴(kuò)散的條件。固態(tài)金屬中原子擴(kuò)散的條件。 2. 擴(kuò)散的表象理論：擴(kuò)散第一定律和第二定律、擴(kuò)散定律的擴(kuò)散的表象理論：擴(kuò)散第一定律和第二定律、擴(kuò)散定律的解、間隙擴(kuò)散和置換擴(kuò)散的不同。解、間隙擴(kuò)散和置換擴(kuò)散的不同。 3. 擴(kuò)散熱力學(xué)擴(kuò)散熱力學(xué) 4. 擴(kuò)散的微觀理論擴(kuò)散的微觀理論(原子理論原子理論)：固相中原子擴(kuò)散的各種機(jī)制。：固相中原子擴(kuò)散的各種機(jī)制。 5. 擴(kuò)散激活能和擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散的影響擴(kuò)散的因素。擴(kuò)散激活能和擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散的影響擴(kuò)散的因素。 6. 擴(kuò)散的分類擴(kuò)散的分類(類型類型)。3/83 1.1.掌握一些基本概念和概念的區(qū)別：擴(kuò)散掌握一些基本概念和概念的區(qū)

2、別：擴(kuò)散( (第一、第二第一、第二) )定律、定律、擴(kuò)散系數(shù)、純擴(kuò)散、化學(xué)擴(kuò)散、上坡擴(kuò)散、下坡擴(kuò)散、原子擴(kuò)散、擴(kuò)散系數(shù)、純擴(kuò)散、化學(xué)擴(kuò)散、上坡擴(kuò)散、下坡擴(kuò)散、原子擴(kuò)散、反應(yīng)反應(yīng)( (相變相變) )擴(kuò)散、自擴(kuò)散、互擴(kuò)散、自擴(kuò)散、互( (異異) )擴(kuò)散、擴(kuò)散激活能，穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，擴(kuò)散、擴(kuò)散激活能，穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，擴(kuò)散通量、柯肯達(dá)爾效應(yīng)、激活能、躍遷、無規(guī)行非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，擴(kuò)散通量、柯肯達(dá)爾效應(yīng)、激活能、躍遷、無規(guī)行走走( (醉步醉步) ) 2. 2.固態(tài)金屬中原子擴(kuò)散的條件及影響擴(kuò)散的因素固態(tài)金屬中原子擴(kuò)散的條件及影響擴(kuò)散的因素 3. 3.擴(kuò)散定律的內(nèi)容和表達(dá)式、適應(yīng)條件、應(yīng)用擴(kuò)散定律的內(nèi)容和表達(dá)式

3、、適應(yīng)條件、應(yīng)用( (如滲碳如滲碳) ) 4. 4.擴(kuò)散系數(shù)公式擴(kuò)散系數(shù)公式D D= =D D0exp(-0exp(-Q Q/ /RTRT) )及式中參數(shù)的物理意義，擴(kuò)散及式中參數(shù)的物理意義，擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力、擴(kuò)散激活能驅(qū)動(dòng)力、擴(kuò)散激活能 5. 5.固相中原子擴(kuò)散的各種固相中原子擴(kuò)散的各種(空位、間隙、換位、晶界擴(kuò)散空位、間隙、換位、晶界擴(kuò)散)機(jī)制。機(jī)制。 6. 6.擴(kuò)散的分類擴(kuò)散的分類( (類型類型) )。純擴(kuò)散、化學(xué)擴(kuò)散、上坡擴(kuò)散、下坡擴(kuò)純擴(kuò)散、化學(xué)擴(kuò)散、上坡擴(kuò)散、下坡擴(kuò)散、原子擴(kuò)散、反應(yīng)散、原子擴(kuò)散、反應(yīng)(相變相變)擴(kuò)散、自擴(kuò)散、互擴(kuò)散、自擴(kuò)散、互(異異)擴(kuò)散、擴(kuò)散激活擴(kuò)散、擴(kuò)散激活能，穩(wěn)態(tài)擴(kuò)

4、散，非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散。能，穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散。 7. 7.柯肯達(dá)爾效應(yīng)描述及其意義?？驴线_(dá)爾效應(yīng)描述及其意義。4/83物質(zhì)的傳輸方式物質(zhì)的傳輸方式氣體：氣體：擴(kuò)散擴(kuò)散+對(duì)流對(duì)流 固體：固體：擴(kuò)散擴(kuò)散液體：液體：擴(kuò)散擴(kuò)散+對(duì)流對(duì)流金屬金屬 陶瓷陶瓷高分子高分子鍵屬金鍵屬金離離子子鍵鍵共價(jià)鍵共價(jià)鍵擴(kuò)散機(jī)制不同擴(kuò)散機(jī)制不同5/83 擴(kuò)散現(xiàn)象擴(kuò)散現(xiàn)象： 擴(kuò)散擴(kuò)散( (diffusion)diffusion)：由構(gòu)成物質(zhì)的微粒：由構(gòu)成物質(zhì)的微粒( (離子、原子、分子離子、原子、分子) )的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的物質(zhì)遷移現(xiàn)象。的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的物質(zhì)遷移現(xiàn)象。 擴(kuò)散的本質(zhì)擴(kuò)散的本質(zhì)是原子或分子依靠自身的熱運(yùn)動(dòng)克服束縛而不

5、斷是原子或分子依靠自身的熱運(yùn)動(dòng)克服束縛而不斷的從一個(gè)位置遷移到另一個(gè)位置的過程。其宏觀表現(xiàn)是物質(zhì)的從一個(gè)位置遷移到另一個(gè)位置的過程。其宏觀表現(xiàn)是物質(zhì)的定向輸送。的定向輸送。 在固體材料中也存在擴(kuò)散，并且它是在固體材料中也存在擴(kuò)散，并且它是固體中物質(zhì)傳輸固體中物質(zhì)傳輸( (原子遷原子遷移移) )的唯一方式的唯一方式。因?yàn)楣腆w不能象氣體或液體那樣通過對(duì)流和。因?yàn)楣腆w不能象氣體或液體那樣通過對(duì)流和擴(kuò)散兩種方式進(jìn)行物質(zhì)傳輸。即使在純金屬中也同樣發(fā)生擴(kuò)擴(kuò)散兩種方式進(jìn)行物質(zhì)傳輸。即使在純金屬中也同樣發(fā)生擴(kuò)散，用參入放射性同位素可以證明。散，用參入放射性同位素可以證明。 擴(kuò)散在材料的生產(chǎn)和使用中的物理過程有

6、密切關(guān)系擴(kuò)散在材料的生產(chǎn)和使用中的物理過程有密切關(guān)系，例如：，例如：凝固、偏析、均勻化退火、冷變形后的回復(fù)和再結(jié)晶、固態(tài)凝固、偏析、均勻化退火、冷變形后的回復(fù)和再結(jié)晶、固態(tài)相變、化學(xué)熱處理、燒結(jié)、氧化、蠕變等。相變、化學(xué)熱處理、燒結(jié)、氧化、蠕變等。 6/83 由于固態(tài)金屬中原子間結(jié)合力比氣體、液體大得多，其擴(kuò)由于固態(tài)金屬中原子間結(jié)合力比氣體、液體大得多，其擴(kuò)散也不易、需具備下列四個(gè)條件才能擴(kuò)散散也不易、需具備下列四個(gè)條件才能擴(kuò)散: : 1.1.溫度要足夠高。溫度要足夠高。只有只有T T足夠高，才能使原子具有足夠的激足夠高，才能使原子具有足夠的激活能，足以克服周圍原子的束縛而發(fā)生遷移?；钅埽阋?/p>

7、克服周圍原子的束縛而發(fā)生遷移。 2.2.時(shí)間要足夠長。時(shí)間要足夠長。擴(kuò)散原子在晶格中每一次最多遷移擴(kuò)散原子在晶格中每一次最多遷移0.30.30.50.5n mn m的距離，要擴(kuò)散的距離，要擴(kuò)散1 1的距離，必須遷移近億次。的距離，必須遷移近億次。 3.3.擴(kuò)散原子要能固溶。擴(kuò)散原子要能固溶。擴(kuò)散原子在基體金屬中必須有一定擴(kuò)散原子在基體金屬中必須有一定的固溶度的固溶度, ,能溶入基體組元晶格形成固溶體能溶入基體組元晶格形成固溶體, ,才能進(jìn)行固態(tài)擴(kuò)散。才能進(jìn)行固態(tài)擴(kuò)散。 4.4.擴(kuò)散要有驅(qū)動(dòng)力擴(kuò)散要有驅(qū)動(dòng)力（driven forcedriven force）。化學(xué)位梯度。實(shí)際?；瘜W(xué)位梯度。實(shí)際發(fā)

8、生的定向擴(kuò)散過程都是在擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力作用下進(jìn)行的。發(fā)生的定向擴(kuò)散過程都是在擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力作用下進(jìn)行的。7/834.1 表象理論表象理論 (Phenomenological laws)8/83 擴(kuò)散擴(kuò)散(diffusion)(diffusion): : 在在一個(gè)相內(nèi)因分子或原子的熱激活運(yùn)一個(gè)相內(nèi)因分子或原子的熱激活運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致成分混合或均勻化的分子動(dòng)力學(xué)過程。動(dòng)導(dǎo)致成分混合或均勻化的分子動(dòng)力學(xué)過程。完全混合完全混合部分部分混合混合時(shí)間加入加入染料染料水水9/83高碳含量區(qū)域高碳含量區(qū)域低碳含量區(qū)域低碳含量區(qū)域碳的擴(kuò)散方向碳的擴(kuò)散方向Fe-C合金合金10/83u 菲克（菲克（A. Fick）于）于1855年參

9、考導(dǎo)熱方程，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)陞⒖紝?dǎo)熱方程，通過實(shí)驗(yàn)確立了擴(kuò)散物質(zhì)量與其濃度梯度之間的宏觀規(guī)律，確立了擴(kuò)散物質(zhì)量與其濃度梯度之間的宏觀規(guī)律，即即（FickFicks s first law first law），又稱），又稱。描述在描述在穩(wěn)態(tài)條件下的擴(kuò)散穩(wěn)態(tài)條件下的擴(kuò)散（steady steady state diffusion) state diffusion) , ,即各處濃度不隨時(shí)間變化即各處濃度不隨時(shí)間變化, ,只隨只隨距離變化而變化，距離變化而變化，即即dc/dt = 011/83：在：在單位時(shí)間單位時(shí)間內(nèi)通過垂直擴(kuò)散內(nèi)通過垂直擴(kuò)散方向的方向的單位截面積單位截面積上的擴(kuò)散物質(zhì)流量上的擴(kuò)散物質(zhì)

10、流量( (diffusion diffusion fluxesfluxes、稱為稱為，g/cmg/cm2 2s s 或或 原子數(shù)原子數(shù)/cm/cm2 2s s ) )與該截面處的濃度梯度成正比與該截面處的濃度梯度成正比. . : : d d為濃度，為濃度，g/cmg/cm3 3。 表示擴(kuò)散由高濃度向低濃度方向進(jìn)行。表示擴(kuò)散由高濃度向低濃度方向進(jìn)行。 比例常數(shù)比例常數(shù)D D稱為稱為，單位為：，單位為：dxdDJ12/83J Dddx穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散)0dtd(J: 擴(kuò)散通量擴(kuò)散通量(mass flux),kg/(m2s)D: 擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)(diffusivity),m2/s。描述擴(kuò)散速度的物

11、理量，它描述擴(kuò)散速度的物理量，它 等于濃度梯度為等于濃度梯度為1時(shí)在時(shí)在1秒內(nèi)通過秒內(nèi)通過1面積的物質(zhì)質(zhì)量或原子面積的物質(zhì)質(zhì)量或原子 數(shù)。數(shù)。D越大，則擴(kuò)散越快越大，則擴(kuò)散越快. : 質(zhì)量濃度，質(zhì)量濃度，kg/m3 : 濃度梯度濃度梯度dx/d12dxJ(12)13/83 穩(wěn)態(tài)時(shí)穩(wěn)態(tài)時(shí): : 單位時(shí)間內(nèi)通過半徑為單位時(shí)間內(nèi)通過半徑為r(rr(r2 2rrr0，D0為為；當(dāng)；當(dāng)1(lnri/lnxi)0,D0為為。 決定組元擴(kuò)散的基本因素為決定組元擴(kuò)散的基本因素為i/xi，擴(kuò)散總是導(dǎo)致擴(kuò)散組，擴(kuò)散總是導(dǎo)致擴(kuò)散組元的減小，直至為零。元的減小，直至為零。44/83 ( (downhill diffu

12、sion)downhill diffusion)（）：沿濃度）：沿濃度降低方向進(jìn)行的擴(kuò)散降低方向進(jìn)行的擴(kuò)散, ,擴(kuò)散使?jié)舛融呌诰鶆蚧?。例如擴(kuò)散使?jié)舛融呌诰鶆蚧＠? :均勻化均勻化退火退火 、化學(xué)熱處理、化學(xué)熱處理 ( (uphill diffusion)uphill diffusion)（）：當(dāng)化學(xué)位）：當(dāng)化學(xué)位降低的方向與濃度降低的方向相反，將沿濃度升高方向進(jìn)行降低的方向與濃度降低的方向相反，將沿濃度升高方向進(jìn)行的擴(kuò)散的擴(kuò)散, ,擴(kuò)散使?jié)舛劝l(fā)生兩極分化。如溶質(zhì)原子的偏聚、調(diào)幅擴(kuò)散使?jié)舛劝l(fā)生兩極分化。如溶質(zhì)原子的偏聚、調(diào)幅分解等。擴(kuò)散表現(xiàn)為向濃度高的方向進(jìn)行，稱為上坡擴(kuò)散分解等。擴(kuò)散表現(xiàn)為

13、向濃度高的方向進(jìn)行，稱為上坡擴(kuò)散。45/83 上坡擴(kuò)散的一些情況上坡擴(kuò)散的一些情況： (1) 彈性應(yīng)力作用下的擴(kuò)散。金屬晶體中存在彈性應(yīng)力梯彈性應(yīng)力作用下的擴(kuò)散。金屬晶體中存在彈性應(yīng)力梯度時(shí)，將造成原子的擴(kuò)散。度時(shí)，將造成原子的擴(kuò)散。 (2) 晶界內(nèi)吸附。如果溶質(zhì)原子位于晶界上可使體系總能晶界內(nèi)吸附。如果溶質(zhì)原子位于晶界上可使體系總能量降低，它們就會(huì)擴(kuò)散而聚集在晶界上，使得晶界上濃度比量降低，它們就會(huì)擴(kuò)散而聚集在晶界上，使得晶界上濃度比晶內(nèi)高。晶內(nèi)高。 (3) 化學(xué)位不同。這是最主要的因素。化學(xué)位不同。這是最主要的因素。 (4) 形成化合物。如形成化合物。如Fe3C形成。形成。 (5) 特殊環(huán)

14、境，如強(qiáng)大的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)作用下特殊環(huán)境，如強(qiáng)大的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)作用下,原子原子按一定方向遷移。按一定方向遷移。 例如例如:液態(tài)合金的共晶轉(zhuǎn)交；固溶體的共析轉(zhuǎn)交；固溶體液態(tài)合金的共晶轉(zhuǎn)交；固溶體的共析轉(zhuǎn)交；固溶體中新相析出及新相長大中新相析出及新相長大46/83 擴(kuò)散機(jī)制擴(kuò)散機(jī)制(機(jī)理機(jī)理) 原子的跳躍和擴(kuò)散系數(shù)原子的跳躍和擴(kuò)散系數(shù) 擴(kuò)散激活能擴(kuò)散激活能 無規(guī)則行走與擴(kuò)散距離無規(guī)則行走與擴(kuò)散距離 47/83 擴(kuò)散機(jī)制（擴(kuò)散機(jī)制（mechanism of diffusion）的主要類型如圖）的主要類型如圖4.9，主要有以下主要有以下: 1.交換（換位）機(jī)制交換（換位）機(jī)制（exchang

15、e mechanism）：）：以相鄰原以相鄰原子交換位置進(jìn)行擴(kuò)散方式。換位方式：子交換位置進(jìn)行擴(kuò)散方式。換位方式： (1) :相鄰原子直接交換位置進(jìn)行遷移。相鄰原子直接交換位置進(jìn)行遷移。 (2) 環(huán)形換位（環(huán)形換位（cyclic exchange）擴(kuò)散：相鄰三個(gè)或四個(gè)原擴(kuò)散：相鄰三個(gè)或四個(gè)原子同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式交換位置子同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式交換位置（3原子環(huán)形換位擴(kuò)散原子環(huán)形換位擴(kuò)散、4原子環(huán)形換位擴(kuò)原子環(huán)形換位擴(kuò)散散）。 擴(kuò)散需要兩個(gè)或兩個(gè)以上的原子協(xié)同跳動(dòng)，所需能量較高。擴(kuò)散需要兩個(gè)或兩個(gè)以上的原子協(xié)同跳動(dòng)，所需能量較高。結(jié)果是垂直于擴(kuò)散方向平面的凈通量等于結(jié)果是垂直于擴(kuò)散方向平面的凈通量等于0。4

16、8/83 2.間隙機(jī)制間隙機(jī)制（interstitial mechanism）： (1) 從一個(gè)間隙位置遷移到另一個(gè)間隙從一個(gè)間隙位置遷移到另一個(gè)間隙位置的過程位置的過程。間隙原子換位時(shí)，必須從基體原子之間擠過。間隙原子換位時(shí)，必須從基體原子之間擠過去，這就要求間隙原子具有足夠的激活能來克服基體原子造成去，這就要求間隙原子具有足夠的激活能來克服基體原子造成的勢(shì)壘。的勢(shì)壘。 間隙擴(kuò)散機(jī)制示意圖間隙擴(kuò)散機(jī)制示意圖 (2)有如下方式有如下方式: a.推填機(jī)制推填機(jī)制(interstitialcy mechanism) b .( c r o w d i o n configuration) c. 躍遷

17、機(jī)制躍遷機(jī)制(jump migration)49/83 3. 3.（vaccaucy mechanismvaccaucy mechanism）：）： 擴(kuò)散原子與空位的逆向流動(dòng)擴(kuò)散原子與空位的逆向流動(dòng), ,產(chǎn)生產(chǎn)生KirkendallKirkendall效應(yīng)效應(yīng). .大多數(shù)情況下原子擴(kuò)散是借助空位機(jī)制。大多數(shù)情況下原子擴(kuò)散是借助空位機(jī)制。 4.4.和和（grain boundary grain boundary diffusion and surface diffusiondiffusion and surface diffusion）: : 晶體內(nèi)擴(kuò)散晶體內(nèi)擴(kuò)散D Dl l 晶界擴(kuò)散晶界擴(kuò)散D

18、 Db b 表面擴(kuò)散表面擴(kuò)散D Ds s 50/83 5. 5.： 原子通過位錯(cuò)擴(kuò)散原子通過位錯(cuò)擴(kuò)散。溫度越低溫度越低, ,原子在位錯(cuò)中的原子在位錯(cuò)中的時(shí)間越長時(shí)間越長, ,在點(diǎn)陣中跳動(dòng)的時(shí)間越短在點(diǎn)陣中跳動(dòng)的時(shí)間越短。把原子在缺把原子在缺陷中的擴(kuò)散稱為短路擴(kuò)散（陷中的擴(kuò)散稱為短路擴(kuò)散（shortshortcircuit circuit diffusiondiffusion）。）。 總之總之, ,固態(tài)金屬或合金中的擴(kuò)散主要依靠固態(tài)金屬或合金中的擴(kuò)散主要依靠來進(jìn)行。來進(jìn)行。 置換原子和間隙原子的擴(kuò)散機(jī)制有什么不置換原子和間隙原子的擴(kuò)散機(jī)制有什么不同？同？ 51/83 1.1.原子跳躍頻率原子跳躍

19、頻率（jump frequencyjump frequency） 原子擴(kuò)散必須克服一定的能壘原子擴(kuò)散必須克服一定的能壘, ,其大小其大小 G = GG = G2 2G G1 1，只只有的原子才能發(fā)生跳躍有的原子才能發(fā)生跳躍（jump migrationjump migration） 。 經(jīng)推倒在經(jīng)推倒在T T溫度下具有條約條件的原子分?jǐn)?shù)溫度下具有條約條件的原子分?jǐn)?shù)( (稱為幾率稱為幾率 jump probabilityjump probability) )n/Nn/N為：為： 在有一塊含有在有一塊含有n n個(gè)原子的晶體中個(gè)原子的晶體中, ,在在dtdt時(shí)間內(nèi)共跳躍時(shí)間內(nèi)共跳躍m m次次, ,則

20、則每個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)跳躍次數(shù)每個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)跳躍次數(shù)( (稱為跳躍頻率稱為跳躍頻率) )為：為： 根據(jù)擴(kuò)散方程及數(shù)學(xué)推倒得：根據(jù)擴(kuò)散方程及數(shù)學(xué)推倒得： 上式從間隙固溶體中求得上式從間隙固溶體中求得, , 也適用于置換固溶體。也適用于置換固溶體。1252/83 2、擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)（diffusion coefficient） 對(duì)于間隙型擴(kuò)散、置換型擴(kuò)散及對(duì)于間隙型擴(kuò)散、置換型擴(kuò)散及(純金屬的自擴(kuò)散都純金屬的自擴(kuò)散都(可導(dǎo)可導(dǎo)出出D：(Ahrrenius equation)2775.7-FeMn2834.4-FeNi2701.8-FeFe23919-FeFe750.46-FeN840.2

21、0-FeC1440.33-FeNQ/103J/molD0/105m2/s基體金屬基體金屬擴(kuò)散元素?cái)U(kuò)散元素)exp(0RTQDD53/83 ： (1) Do為擴(kuò)散常數(shù)為擴(kuò)散常數(shù),與與S有關(guān)有關(guān),其數(shù)值可查。其數(shù)值可查。 (2) Q為每摩爾原子擴(kuò)散的激活能為每摩爾原子擴(kuò)散的激活能(activation energy of diffusion)。對(duì)于間隙型擴(kuò)散，對(duì)于間隙型擴(kuò)散，Q為原子跳躍為原子跳躍所需要的遷移能所需要的遷移能U；對(duì)于置換型擴(kuò)散或自擴(kuò)散，對(duì)于置換型擴(kuò)散或自擴(kuò)散，Q包括包括原子遷移能原子遷移能U和和空位形成能空位形成能Uv。Q數(shù)值可查。數(shù)值可查。 (3) R為氣體常數(shù)，其值為為氣體常數(shù)

22、，其值為8.31J/(mol.K)，T為絕對(duì)為絕對(duì)溫度溫度(K)。 (4) 不同擴(kuò)散機(jī)制的擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)形式相同，但不同擴(kuò)散機(jī)制的擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)形式相同，但D和和Q值不同。值不同。)exp(0RTQDD54/83 晶 體 中 原 子 擴(kuò) 散 機(jī) 制 不 同晶 體 中 原 子 擴(kuò) 散 機(jī) 制 不 同 , , 其 擴(kuò) 散 激 活 能其 擴(kuò) 散 激 活 能（activation engeryactivation engery）不同。但可以通過實(shí)驗(yàn)求不同。但可以通過實(shí)驗(yàn)求得擴(kuò)散激活能得擴(kuò)散激活能Q Q。其方法如下：其方法如下： 由實(shí)驗(yàn)確定由實(shí)驗(yàn)確定lnDlnD與與1/1/T T的關(guān)系。若的關(guān)系。若lnDl

23、nD1/T1/T呈直呈直線關(guān)系線關(guān)系, ,可用外推法求出可用外推法求出lnDo,lnDo,直線的斜率為直線的斜率為Q/RQ/R，則則 一般一般DoDo與與Q Q和和T T無關(guān)無關(guān), ,只與擴(kuò)散機(jī)制及材料有關(guān)。只與擴(kuò)散機(jī)制及材料有關(guān)。55/83 原子擴(kuò)散無規(guī)則行走原子擴(kuò)散無規(guī)則行走( (random walk) random walk) （醉步）（醉步）是指擴(kuò)散原子的行走是向各個(gè)方向隨機(jī)跳躍的。是指擴(kuò)散原子的行走是向各個(gè)方向隨機(jī)跳躍的。 其擴(kuò)散距離與擴(kuò)散時(shí)間的平方根成正比。其擴(kuò)散距離與擴(kuò)散時(shí)間的平方根成正比。56/83 由前述可知由前述可知,在一定條件下擴(kuò)散的快慢主要與在一定條件下擴(kuò)散的快慢主要

24、與D有關(guān)，而有關(guān)，而D與與T、Q有關(guān)，即：有關(guān)，即： T以及能改變以及能改變Do、Q的因素均能影響擴(kuò)散。這的因素均能影響擴(kuò)散。這些因素包括些因素包括: 溫度、固溶體類型、晶體結(jié)構(gòu)、晶體溫度、固溶體類型、晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、化學(xué)成分、應(yīng)力和磁性。缺陷、化學(xué)成分、應(yīng)力和磁性。57/83 由由可知，可知，擴(kuò)散溫度擴(kuò)散溫度T與擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)D是指是指數(shù)關(guān)系數(shù)關(guān)系，因此，因此非常大，是最主要的因非常大，是最主要的因素。擴(kuò)散溫度越高，擴(kuò)散原子的能量越大，越容易發(fā)生躍遷，素。擴(kuò)散溫度越高，擴(kuò)散原子的能量越大，越容易發(fā)生躍遷，故擴(kuò)散系數(shù)越大。故擴(kuò)散系數(shù)越大。 例如例如，碳在，碳在-Fe中擴(kuò)散，中擴(kuò)散，92

25、7時(shí)，時(shí)，D=1.6110-11 m2/s，而在而在1027時(shí)，時(shí)，D=4.7410-11 m2/s?？梢?，溫度從可見，溫度從927提提高到高到1027，就使擴(kuò)散系數(shù)，就使擴(kuò)散系數(shù)D增大增大3倍，即滲碳速度加快了倍，即滲碳速度加快了3倍。所以，生產(chǎn)上各種受擴(kuò)散控制的過程都要考慮溫度的重倍。所以，生產(chǎn)上各種受擴(kuò)散控制的過程都要考慮溫度的重大影響。大影響。58/83 不同類型的固溶體溶質(zhì)原子的不同類型的固溶體溶質(zhì)原子的Q不同，形成間隙固溶體比不同，形成間隙固溶體比形成置換固溶體所需形成置換固溶體所需Q小得多，間隙原子擴(kuò)散也快得多。小得多，間隙原子擴(kuò)散也快得多。 固溶體主要有間隙固溶體和置換固溶體，

26、在這兩種固溶體固溶體主要有間隙固溶體和置換固溶體，在這兩種固溶體中，溶質(zhì)原子的擴(kuò)散機(jī)制完全不同。中，溶質(zhì)原子的擴(kuò)散機(jī)制完全不同。 在間隙固溶體中，溶質(zhì)原子以間隙擴(kuò)散為機(jī)制，擴(kuò)散激在間隙固溶體中，溶質(zhì)原子以間隙擴(kuò)散為機(jī)制，擴(kuò)散激活能較小，原子擴(kuò)散較快；反之，在置換固溶體中，溶質(zhì)原子活能較小，原子擴(kuò)散較快；反之，在置換固溶體中，溶質(zhì)原子以空位擴(kuò)散為機(jī)制，由于原子尺寸較大，晶體中的空位濃度又以空位擴(kuò)散為機(jī)制，由于原子尺寸較大，晶體中的空位濃度又很低，其擴(kuò)散激活能比間隙擴(kuò)散大得多很低，其擴(kuò)散激活能比間隙擴(kuò)散大得多。 如：如：C在在-Fe中中,1200K時(shí)，時(shí)，Dc=1.6110-11 ms， Ni在在

27、-Fe中中,1200K時(shí)，時(shí)，DNi=2.0810-17ms，二者相差約，二者相差約760000倍。倍。59/83 (1) (1) 同一元素在不同基體金屬中擴(kuò)散時(shí)，其同一元素在不同基體金屬中擴(kuò)散時(shí)，其D D0 0和和Q Q值值都不相同。都不相同。 規(guī)律：規(guī)律：基體金屬原子間的結(jié)合力越大，熔點(diǎn)就越基體金屬原子間的結(jié)合力越大，熔點(diǎn)就越高，擴(kuò)散激活能也越大，擴(kuò)散越困難。高，擴(kuò)散激活能也越大，擴(kuò)散越困難。 例如例如，碳原子在，碳原子在-Fe(Tm=1811K)-Fe(Tm=1811K)、V(Tm=V(Tm=21082108K)K)、Nb(Tm=Nb(Tm=27932793K)K)、W(Tm=W(Tm=

28、36533653K)K)中的擴(kuò)散激活能分別為：中的擴(kuò)散激活能分別為：103103、114114、159159、169 169 (kJ/mol)(kJ/mol)。 60/83 (2) 同一種擴(kuò)散元素在同一種基體金屬的不同晶體同一種擴(kuò)散元素在同一種基體金屬的不同晶體結(jié)構(gòu)（具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬）中的擴(kuò)散系數(shù)也不結(jié)構(gòu)（具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬）中的擴(kuò)散系數(shù)也不相同。相同。晶體結(jié)構(gòu)也對(duì)擴(kuò)散系數(shù)有明顯的影響。結(jié)構(gòu)不晶體結(jié)構(gòu)也對(duì)擴(kuò)散系數(shù)有明顯的影響。結(jié)構(gòu)不同，原子排列不同致密度不同，同，原子排列不同致密度不同，D不同。致密度大，不同。致密度大，D小；致密度小，?。恢旅芏刃?，D大。晶體的對(duì)稱性對(duì)大。晶體的對(duì)稱

29、性對(duì)D也有影響。也有影響。(晶體結(jié)構(gòu)的影響晶體結(jié)構(gòu)的影響) 例如例如，900時(shí)碳在時(shí)碳在-Fe(bcc)和和-Fe(fcc)中的擴(kuò)散中的擴(kuò)散系數(shù)系數(shù)D分別為：分別為：1.610-10 m2/s和和8.710-12 m2/s。這表這表明，在相同的溫度下，碳在明，在相同的溫度下，碳在-Fe中的擴(kuò)散比在中的擴(kuò)散比在-Fe中中的擴(kuò)散更容易，速度更快。的擴(kuò)散更容易，速度更快。61/83 (3)(3)不同元素在同一基體金屬中擴(kuò)散，其擴(kuò)散常數(shù)不同元素在同一基體金屬中擴(kuò)散，其擴(kuò)散常數(shù)D D0 0和擴(kuò)散激活能和擴(kuò)散激活能Q Q各不相同各不相同。 規(guī)律：規(guī)律：擴(kuò)散元素在基體金屬中造成的晶格畸變?cè)綌U(kuò)散元素在基體金屬

30、中造成的晶格畸變?cè)酱螅ㄩg隙原子的半徑越大，對(duì)基體造成的晶格畸變?cè)酱螅ㄩg隙原子的半徑越大，對(duì)基體造成的晶格畸變?cè)酱?、原子處于較高的能量起伏狀態(tài)，易于跳躍），擴(kuò)大、原子處于較高的能量起伏狀態(tài)，易于跳躍），擴(kuò)散激活能就越小，則擴(kuò)散系數(shù)越大，擴(kuò)散越容易，擴(kuò)散激活能就越小，則擴(kuò)散系數(shù)越大，擴(kuò)散越容易，擴(kuò)散越快。散越快。 例如例如, ,間隙原子間隙原子N(N(氮氮) )、C(C(碳碳) )、B(B(硼硼) )在在-Fe-Fe中中的擴(kuò)散的擴(kuò)散。表內(nèi)為間隙原子在。表內(nèi)為間隙原子在-Fe-Fe中的擴(kuò)散參中的擴(kuò)散參數(shù)，數(shù)，表中表中D D的值是應(yīng)用的值是應(yīng)用4.394.39式計(jì)算所得式計(jì)算所得62/83擴(kuò)擴(kuò) 散散

31、元元 素素N(氮氮)C(碳碳)B(硼硼)原子半徑原子半徑, 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)3.710-128.710-122.410-1163/83 晶體缺陷晶體缺陷：點(diǎn)、線、面缺陷都會(huì)影響擴(kuò)散系數(shù)。點(diǎn)、線、面缺陷都會(huì)影響擴(kuò)散系數(shù)。缺陷的密度增加，擴(kuò)散系數(shù)增加，金屬原子或置換原缺陷的密度增加，擴(kuò)散系數(shù)增加，金屬原子或置換原子的擴(kuò)散越快子的擴(kuò)散越快 。但晶體缺陷對(duì)對(duì)間隙原子擴(kuò)散的影響。但晶體缺陷對(duì)對(duì)間隙原子擴(kuò)散的影響則比較復(fù)雜。這是因?yàn)椋w缺

32、陷一方面可以加速間則比較復(fù)雜。這是因?yàn)?，晶體缺陷一方面可以加速間隙原子的擴(kuò)散，另一方面會(huì)促使間隙原子在晶體缺陷隙原子的擴(kuò)散，另一方面會(huì)促使間隙原子在晶體缺陷處的偏聚，阻礙其擴(kuò)散。處的偏聚，阻礙其擴(kuò)散。 64/83 擴(kuò)散的途徑：擴(kuò)散的途徑：(Ql、Dl)、(Qb、Db)、(Qs、Ds)、位錯(cuò)擴(kuò)散。、位錯(cuò)擴(kuò)散。 規(guī)律：規(guī)律： 一般一般 u 體缺陷對(duì)擴(kuò)散起著快速通道體缺陷對(duì)擴(kuò)散起著快速通道(high-diffusivity path)的作用，因此將沿缺陷的作用，因此將沿缺陷進(jìn)行的擴(kuò)散稱為進(jìn)行的擴(kuò)散稱為短路擴(kuò)散短路擴(kuò)散(short-circuit diffusion)，沿晶格內(nèi)部進(jìn)行的擴(kuò)散稱，沿晶格內(nèi)

33、部進(jìn)行的擴(kuò)散稱為體擴(kuò)散或晶格擴(kuò)散。為體擴(kuò)散或晶格擴(kuò)散。u 在實(shí)際生產(chǎn)中這幾種擴(kuò)散同時(shí)進(jìn)行在實(shí)際生產(chǎn)中這幾種擴(kuò)散同時(shí)進(jìn)行,并并且在溫度較低時(shí)，所起的作用更大。且在溫度較低時(shí)，所起的作用更大。65/83 lnD1/T成直線關(guān)系，單、多晶體成直線關(guān)系，單、多晶體D的變化圖。說明：的變化圖。說明： (1) 單晶體的擴(kuò)散系數(shù)表征了晶內(nèi)單晶體的擴(kuò)散系數(shù)表征了晶內(nèi)Dl;而多晶體的而多晶體的D是晶內(nèi)擴(kuò)是晶內(nèi)擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散共同作用的表象擴(kuò)散系數(shù)。散和晶界擴(kuò)散共同作用的表象擴(kuò)散系數(shù)。 (2) 對(duì)對(duì)Ag來說來說 700C以上以上D單晶單晶D多晶多晶；700C以下以下D單晶單晶D多晶多晶。晶界作用。晶界作用。 (3)

34、 晶界擴(kuò)散也有各向異性。晶粒尺寸越小，金屬的晶界面晶界擴(kuò)散也有各向異性。晶粒尺寸越小，金屬的晶界面積越多，晶界擴(kuò)散對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的貢獻(xiàn)就越大。積越多，晶界擴(kuò)散對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的貢獻(xiàn)就越大。鋅在黃銅中的擴(kuò)散系數(shù)（數(shù)字為平均晶粒直徑）鋅在黃銅中的擴(kuò)散系數(shù)（數(shù)字為平均晶粒直徑） 66/83 (4) 晶界擴(kuò)散比晶內(nèi)擴(kuò)散快得多。晶界擴(kuò)散比晶內(nèi)擴(kuò)散快得多。而對(duì)于間隙固溶體而對(duì)于間隙固溶體,溶質(zhì)原子半徑小溶質(zhì)原子半徑小易擴(kuò)散易擴(kuò)散,其其DlDb。 (5) 晶體表面擴(kuò)散比晶界擴(kuò)散還晶體表面擴(kuò)散比晶界擴(kuò)散還要快。要快。DlDbDs。 (6) 溫度較低時(shí)晶界擴(kuò)散激活能溫度較低時(shí)晶界擴(kuò)散激活能比體擴(kuò)散激活能小得多，晶界擴(kuò)散比

35、體擴(kuò)散激活能小得多，晶界擴(kuò)散起主導(dǎo)作用；溫度較高時(shí)晶體中的起主導(dǎo)作用；溫度較高時(shí)晶體中的空位濃度增加，擴(kuò)散速度加快，體空位濃度增加，擴(kuò)散速度加快，體擴(kuò)散起主導(dǎo)作用。擴(kuò)散起主導(dǎo)作用。鋅在黃銅中的擴(kuò)散系數(shù)鋅在黃銅中的擴(kuò)散系數(shù)（數(shù)字為平均晶粒直徑）（數(shù)字為平均晶粒直徑） 67/83: (1) D的大小與組元特性有關(guān)。的大小與組元特性有關(guān)。 (2) D與溶質(zhì)濃度有關(guān)。與溶質(zhì)濃度有關(guān)。 (3) 第三組元第三組元(或雜質(zhì)或雜質(zhì))對(duì)二元合金擴(kuò)散對(duì)二元合金擴(kuò)散也有影響，但很復(fù)雜。也有影響，但很復(fù)雜。其他元素在銅中的其他元素在銅中的DAu-Ni系中系中D與濃度的關(guān)系與濃度的關(guān)系碳在碳在-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)中的擴(kuò)散

36、系數(shù) 68/83 例如鋼中加入例如鋼中加入Me，對(duì)，對(duì)C在在Fe中的中的D的影響的影響 (1) 碳化物形成元素：如碳化物形成元素：如W、Mo、Cr等，能強(qiáng)烈阻止碳的擴(kuò)等，能強(qiáng)烈阻止碳的擴(kuò)散，使散，使DC下降。下降。 (2) 非碳化物形成元素，但易非碳化物形成元素，但易溶于碳化物，如溶于碳化物，如Mn 對(duì)對(duì)DC影響不影響不大；非碳化物形成元素大；非碳化物形成元素Co、Ni、 Si等能溶子等能溶子Fe中的元素影響不同，中的元素影響不同，比較復(fù)雜。比較復(fù)雜。Co、Ni等使等使D升高，升高，Si等使等使D下降。下降。合金元素對(duì)碳在合金元素對(duì)碳在-Fe中擴(kuò)散系數(shù)的影響中擴(kuò)散系數(shù)的影響69/83 (1)

37、合金內(nèi)存在應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)力提供驅(qū)動(dòng)力合金內(nèi)存在應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)力提供驅(qū)動(dòng)力F。應(yīng)。應(yīng)力升高、力升高、F升高，據(jù)升高，據(jù)，V升高升高 (2) 外界施加應(yīng)力，在合金中產(chǎn)生彈性應(yīng)力梯度，外界施加應(yīng)力，在合金中產(chǎn)生彈性應(yīng)力梯度，促進(jìn)原子遷移。促進(jìn)原子遷移。 具有磁性轉(zhuǎn)交的金屬在鐵磁性狀態(tài)下的具有磁性轉(zhuǎn)交的金屬在鐵磁性狀態(tài)下的 比順磁性比順磁性狀態(tài)下慢。狀態(tài)下慢。D小一些。小一些。70/83u 在許多的實(shí)際相圖中，不僅包含一種固溶體，在許多的實(shí)際相圖中，不僅包含一種固溶體，有可能出現(xiàn)幾種固溶體或者中間相。有可能出現(xiàn)幾種固溶體或者中間相。u 如果由構(gòu)成這樣相圖的兩個(gè)組元制成擴(kuò)散偶，如果由構(gòu)成這樣相圖的兩個(gè)組元制成擴(kuò)

38、散偶，或者在一種組元的表面滲入另一種組元，并且在溫或者在一種組元的表面滲入另一種組元，并且在溫度適宜保溫時(shí)間足夠的情況下，就會(huì)由于作為基體度適宜保溫時(shí)間足夠的情況下，就會(huì)由于作為基體的組元過飽和而反應(yīng)生成一種或者幾種新的合金相的組元過飽和而反應(yīng)生成一種或者幾種新的合金相（中間相或者固溶體）。（中間相或者固溶體）。71/83 ( (reaction diffusion)reaction diffusion)：當(dāng)某種元素當(dāng)某種元素?cái)U(kuò)散擴(kuò)散, ,其濃度超過基體金屬的溶解度極限而形成新相的過程。其濃度超過基體金屬的溶解度極限而形成新相的過程。即在擴(kuò)散中由于成分的變化，通過化學(xué)反應(yīng)而伴隨著新相的形即在擴(kuò)

39、散中由于成分的變化，通過化學(xué)反應(yīng)而伴隨著新相的形成成( (或稱有相變發(fā)生或稱有相變發(fā)生) )的擴(kuò)散過程。的擴(kuò)散過程。 反應(yīng)擴(kuò)散生成的新相與原來的基體相之間存在明顯的觀察反應(yīng)擴(kuò)散生成的新相與原來的基體相之間存在明顯的觀察面面, ,新相可以是中間相新相可以是中間相, ,也可以是固溶體。反應(yīng)擴(kuò)散可以參考平也可以是固溶體。反應(yīng)擴(kuò)散可以參考平衡相圖分析形成的新相。衡相圖分析形成的新相。 ：在相界面處產(chǎn)生成分突變：在相界面處產(chǎn)生成分突變, ,突變的濃度正突變的濃度正好對(duì)應(yīng)于相圖相的極限濃度。好對(duì)應(yīng)于相圖相的極限濃度。 許多相變的過程是有成分的變化，或由擴(kuò)散過程來控制的。許多相變的過程是有成分的變化，或由擴(kuò)

40、散過程來控制的。了解反應(yīng)擴(kuò)散的規(guī)律對(duì)了解由成分的變化來控制的相變有十分了解反應(yīng)擴(kuò)散的規(guī)律對(duì)了解由成分的變化來控制的相變有十分重要的意義。重要的意義。72/83反應(yīng)擴(kuò)散時(shí)的相圖（反應(yīng)擴(kuò)散時(shí)的相圖（a）與對(duì)應(yīng)的濃度分布（）與對(duì)應(yīng)的濃度分布（b）和相分布（）和相分布（c）73/83 純鐵在純鐵在520C氮化時(shí)可氮化時(shí)可由由Fe-N相圖分析形成新相圖分析形成新相相,WN變化變化,形成新相不同。形成新相不同。 相相：N在在-Fe中的間隙中的間隙固溶體固溶體WN1.1% 相相：以：以Fe4N為基的固溶為基的固溶體體WN=5.76.1% 相相：FexN、x=23、WN=7.811.0純鐵的表面氮化純鐵的表面

41、氮化（a）Fe-N相圖相圖 （b）相分布）相分布 （c）氮濃度分布）氮濃度分布74/83 利用利用Fe-CFe-C相圖，將純鐵置于相圖，將純鐵置于930930滲碳，氣氛能使表明達(dá)到滲碳，氣氛能使表明達(dá)到的最高溶解的碳量為的最高溶解的碳量為C CS S，因?yàn)樵俑邔⑿纬商蓟?。表面為，因?yàn)樵俑邔⑿纬商蓟铩１砻鏋镃SCS的的固溶體為固溶體為相，從表面向內(nèi)，碳的含量逐漸減少，直到碳含量相，從表面向內(nèi)，碳的含量逐漸減少，直到碳含量為為C C2 2處；心部為純鐵在處；心部為純鐵在850850下依然為下依然為相，從心部向外，碳的相，從心部向外，碳的含量逐漸提高，表面達(dá)到含量逐漸提高，表面達(dá)到C C1 1處

42、。從相圖可知它們到達(dá)互相平衡，處。從相圖可知它們到達(dá)互相平衡，這里形成兩相的分界面，碳的含量就出現(xiàn)了突變。這里形成兩相的分界面，碳的含量就出現(xiàn)了突變。 隨時(shí)間的加長，在隨時(shí)間的加長，在相存相存在碳的濃度梯度，碳不斷向內(nèi)在碳的濃度梯度，碳不斷向內(nèi)擴(kuò)散，在擴(kuò)散，在/相界面碳多余相界面碳多余進(jìn)入到進(jìn)入到相，平衡破壞，部分相，平衡破壞，部分的的得到碳轉(zhuǎn)變生成得到碳轉(zhuǎn)變生成相，因相，因此在相界面兩邊的成分依然為此在相界面兩邊的成分依然為C2C2和和C1C1不變，而是相界面向內(nèi)不變，而是相界面向內(nèi)遷移，即遷移，即相在不斷生長。相在不斷生長。75/83 在二元合金的在一定溫下進(jìn)行擴(kuò)散過程中，不會(huì)出現(xiàn)在二元合

43、金的在一定溫下進(jìn)行擴(kuò)散過程中，不會(huì)出現(xiàn)兩相區(qū)。當(dāng)然二元合金的恒溫?cái)U(kuò)散過程中為什么不會(huì)出現(xiàn)兩相區(qū)。當(dāng)然二元合金的恒溫?cái)U(kuò)散過程中為什么不會(huì)出現(xiàn)兩相區(qū)可以用相律來證明，但證明過程不要求大家掌握，兩相區(qū)可以用相律來證明，但證明過程不要求大家掌握，只要知道這個(gè)結(jié)論。值得指出的是這表現(xiàn)在恒溫?cái)U(kuò)散過程只要知道這個(gè)結(jié)論。值得指出的是這表現(xiàn)在恒溫?cái)U(kuò)散過程時(shí)，處理結(jié)束后冷卻下來，材料會(huì)遵照相圖的規(guī)律發(fā)生相時(shí)，處理結(jié)束后冷卻下來，材料會(huì)遵照相圖的規(guī)律發(fā)生相關(guān)的變化，所以并不代表到室溫時(shí)不存在兩相區(qū)，但這個(gè)關(guān)的變化，所以并不代表到室溫時(shí)不存在兩相區(qū)，但這個(gè)成分的突變會(huì)保留下來。成分的突變會(huì)保留下來。76/83 (Se

44、lfdiffusion)：原子經(jīng)由自己元素的晶體點(diǎn)陣：原子經(jīng)由自己元素的晶體點(diǎn)陣而遷移的擴(kuò)散。純物質(zhì)或成分均勻合金中的擴(kuò)散而遷移的擴(kuò)散。純物質(zhì)或成分均勻合金中的擴(kuò)散。自擴(kuò)散在擴(kuò)自擴(kuò)散在擴(kuò)散過程中散過程中不伴有濃度變化的擴(kuò)散不伴有濃度變化的擴(kuò)散，即不改變組元濃度分布。擴(kuò)，即不改變組元濃度分布。擴(kuò)散與熱振動(dòng)有關(guān)。如純金屬或散與熱振動(dòng)有關(guān)。如純金屬或 固溶體的晶粒長大。固溶體的晶粒長大。 (mutual/chemical diffusion)：原子通過進(jìn)入對(duì)方元素晶體點(diǎn)陣而導(dǎo)致的擴(kuò)散。成分不均勻合原子通過進(jìn)入對(duì)方元素晶體點(diǎn)陣而導(dǎo)致的擴(kuò)散。成分不均勻合金中的擴(kuò)散金中的擴(kuò)散。伴有濃度變化的擴(kuò)散伴有濃度變化的擴(kuò)散?；U(kuò)散與異類原子的濃度?；?/p>