CH4 固態(tài)中原子及分子的運動(12級)

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

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

3、、適應條件、應用( (如滲碳如滲碳) ) 4. 4.擴散系數(shù)公式擴散系數(shù)公式D D= =D D0exp(-0exp(-Q Q/ /RTRT) )及式中參數(shù)的物理意義，擴散及式中參數(shù)的物理意義，擴散驅動力、擴散激活能驅動力、擴散激活能 5. 5.固相中原子擴散的各種固相中原子擴散的各種(空位、間隙、換位、晶界擴散空位、間隙、換位、晶界擴散)機制。機制。 6. 6.擴散的分類擴散的分類( (類型類型) )。純擴散、化學擴散、上坡擴散、下坡擴純擴散、化學擴散、上坡擴散、下坡擴散、原子擴散、反應散、原子擴散、反應(相變相變)擴散、自擴散、互擴散、自擴散、互(異異)擴散、擴散激活擴散、擴散激活能，穩(wěn)態(tài)擴

4、散，非穩(wěn)態(tài)擴散。能，穩(wěn)態(tài)擴散，非穩(wěn)態(tài)擴散。 7. 7.柯肯達爾效應描述及其意義。柯肯達爾效應描述及其意義。4/83物質的傳輸方式物質的傳輸方式氣體：氣體：擴散擴散+對流對流 固體：固體：擴散擴散液體：液體：擴散擴散+對流對流金屬金屬 陶瓷陶瓷高分子高分子鍵屬金鍵屬金離離子子鍵鍵共價鍵共價鍵擴散機制不同擴散機制不同5/83 擴散現(xiàn)象擴散現(xiàn)象： 擴散擴散( (diffusion)diffusion)：由構成物質的微粒：由構成物質的微粒( (離子、原子、分子離子、原子、分子) )的熱運動而產生的物質遷移現(xiàn)象。的熱運動而產生的物質遷移現(xiàn)象。 擴散的本質擴散的本質是原子或分子依靠自身的熱運動克服束縛而不

5、斷是原子或分子依靠自身的熱運動克服束縛而不斷的從一個位置遷移到另一個位置的過程。其宏觀表現(xiàn)是物質的從一個位置遷移到另一個位置的過程。其宏觀表現(xiàn)是物質的定向輸送。的定向輸送。 在固體材料中也存在擴散，并且它是在固體材料中也存在擴散，并且它是固體中物質傳輸固體中物質傳輸( (原子遷原子遷移移) )的唯一方式的唯一方式。因為固體不能象氣體或液體那樣通過對流和。因為固體不能象氣體或液體那樣通過對流和擴散兩種方式進行物質傳輸。即使在純金屬中也同樣發(fā)生擴擴散兩種方式進行物質傳輸。即使在純金屬中也同樣發(fā)生擴散，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。 擴散在材料的生產和使用中的物理過程有

6、密切關系擴散在材料的生產和使用中的物理過程有密切關系，例如：，例如：凝固、偏析、均勻化退火、冷變形后的回復和再結晶、固態(tài)凝固、偏析、均勻化退火、冷變形后的回復和再結晶、固態(tài)相變、化學熱處理、燒結、氧化、蠕變等。相變、化學熱處理、燒結、氧化、蠕變等。 6/83 由于固態(tài)金屬中原子間結合力比氣體、液體大得多，其擴由于固態(tài)金屬中原子間結合力比氣體、液體大得多，其擴散也不易、需具備下列四個條件才能擴散散也不易、需具備下列四個條件才能擴散: : 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?，足以

7、克服周圍原子的束縛而發(fā)生遷移。 2.2.時間要足夠長。時間要足夠長。擴散原子在晶格中每一次最多遷移擴散原子在晶格中每一次最多遷移0.30.30.50.5n mn m的距離，要擴散的距離，要擴散1 1的距離，必須遷移近億次。的距離，必須遷移近億次。 3.3.擴散原子要能固溶。擴散原子要能固溶。擴散原子在基體金屬中必須有一定擴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, ,才能進行固態(tài)擴散。才能進行固態(tài)擴散。 4.4.擴散要有驅動力擴散要有驅動力（driven forcedriven force）?；瘜W位梯度。實際?；瘜W位梯度。實際發(fā)

8、生的定向擴散過程都是在擴散驅動力作用下進行的。發(fā)生的定向擴散過程都是在擴散驅動力作用下進行的。7/834.1 表象理論表象理論 (Phenomenological laws)8/83 擴散擴散(diffusion)(diffusion): : 在在一個相內因分子或原子的熱激活運一個相內因分子或原子的熱激活運動導致成分混合或均勻化的分子動力學過程。動導致成分混合或均勻化的分子動力學過程。完全混合完全混合部分部分混合混合時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)域碳的擴散方向碳的擴散方向Fe-C合金合金10/83u 菲克（菲克（A. Fick）于）于1855年參

9、考導熱方程，通過實驗年參考導熱方程，通過實驗確立了擴散物質量與其濃度梯度之間的宏觀規(guī)律，確立了擴散物質量與其濃度梯度之間的宏觀規(guī)律，即即（FickFicks first laws first law），又稱），又稱。描述在描述在穩(wěn)態(tài)條件下的擴散穩(wěn)態(tài)條件下的擴散（steady steady state diffusion) state diffusion) , ,即各處濃度不隨時間變化即各處濃度不隨時間變化, ,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：在單位時間單位時間內通過垂直擴散內通過垂直擴散方向的方向的單位截面積單位截面積上的擴散物質流量上的擴散物質流

10、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。 表示擴散由高濃度向低濃度方向進行。表示擴散由高濃度向低濃度方向進行。 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)擴散穩(wěn)態(tài)擴散)0dtd(J: 擴散通量擴散通量(mass flux),kg/(m2s)D: 擴散系數(shù)擴散系數(shù)(diffusivity),m2/s。描述擴散速度的物理

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

12、ion)downhill diffusion)（）：沿濃度）：沿濃度降低方向進行的擴散降低方向進行的擴散, ,擴散使?jié)舛融呌诰鶆蚧?。例如擴散使?jié)舛融呌诰鶆蚧?。例? :均勻化均勻化退火退火 、化學熱處理、化學熱處理 ( (uphill diffusion)uphill diffusion)（）：當化學位）：當化學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行的擴散的擴散, ,擴散使?jié)舛劝l(fā)生兩極分化。如溶質原子的偏聚、調幅擴散使?jié)舛劝l(fā)生兩極分化。如溶質原子的偏聚、調幅分解等。擴散表現(xiàn)為向濃度高的方向進行，稱為上坡擴散分解等。擴散表現(xiàn)為向

13、濃度高的方向進行，稱為上坡擴散。45/83 上坡擴散的一些情況上坡擴散的一些情況： (1) 彈性應力作用下的擴散。金屬晶體中存在彈性應力梯彈性應力作用下的擴散。金屬晶體中存在彈性應力梯度時，將造成原子的擴散。度時，將造成原子的擴散。 (2) 晶界內吸附。如果溶質原子位于晶界上可使體系總能晶界內吸附。如果溶質原子位于晶界上可使體系總能量降低，它們就會擴散而聚集在晶界上，使得晶界上濃度比量降低，它們就會擴散而聚集在晶界上，使得晶界上濃度比晶內高。晶內高。 (3) 化學位不同。這是最主要的因素?；瘜W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)境

14、，如強大的電場、磁場、溫度場作用下特殊環(huán)境，如強大的電場、磁場、溫度場作用下,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)合金的共晶轉交；固溶體的共析轉交；固溶體液態(tài)合金的共晶轉交；固溶體的共析轉交；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 擴散機制擴散機制(機理機理) 原子的跳躍和擴散系數(shù)原子的跳躍和擴散系數(shù) 擴散激活能擴散激活能 無規(guī)則行走與擴散距離無規(guī)則行走與擴散距離 47/83 擴散機制（擴散機制（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）機制交換（換位）機制（exchange

15、 mechanism）：）：以相鄰原以相鄰原子交換位置進行擴散方式。換位方式：子交換位置進行擴散方式。換位方式： (1) :相鄰原子直接交換位置進行遷移。相鄰原子直接交換位置進行遷移。 (2) 環(huán)形換位（環(huán)形換位（cyclic exchange）擴散：相鄰三個或四個原擴散：相鄰三個或四個原子同時進行旋轉式交換位置子同時進行旋轉式交換位置（3原子環(huán)形換位擴散原子環(huán)形換位擴散、4原子環(huán)形換位擴原子環(huán)形換位擴散散）。 擴散需要兩個或兩個以上的原子協(xié)同跳動，所需能量較高。擴散需要兩個或兩個以上的原子協(xié)同跳動，所需能量較高。結果是垂直于擴散方向平面的凈通量等于結果是垂直于擴散方向平面的凈通量等于0。48

16、/83 2.間隙機制間隙機制（interstitial mechanism）： (1) 從一個間隙位置遷移到另一個間隙從一個間隙位置遷移到另一個間隙位置的過程位置的過程。間隙原子換位時，必須從基體原子之間擠過。間隙原子換位時，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壘。的勢壘。 間隙擴散機制示意圖間隙擴散機制示意圖 (2)有如下方式有如下方式: a.推填機制推填機制(interstitialcy mechanism) b .( c r o w d i o n configuration) c. 躍遷機

17、制躍遷機制(jump migration)49/83 3. 3.（vaccaucy mechanismvaccaucy mechanism）：）： 擴散原子與空位的逆向流動擴散原子與空位的逆向流動, ,產生產生KirkendallKirkendall效應效應. .大多數(shù)情況下原子擴散是借助空位機制。大多數(shù)情況下原子擴散是借助空位機制。 4.4.和和（grain boundary grain boundary diffusion and surface diffusiondiffusion and surface diffusion）: : 晶體內擴散晶體內擴散D Dl l 晶界擴散晶界擴散D

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

19、率（jump frequencyjump frequency） 原子擴散必須克服一定的能壘原子擴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數(shù)溫度下具有條約條件的原子分數(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個原子的晶體中個原子的晶體中, ,在在dtdt時間內共跳躍時間內共跳躍m m次次, ,則則

20、每個原子在單位時間內跳躍次數(shù)每個原子在單位時間內跳躍次數(shù)( (稱為跳躍頻率稱為跳躍頻率) )為：為： 根據(jù)擴散方程及數(shù)學推倒得：根據(jù)擴散方程及數(shù)學推倒得： 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、擴散系數(shù)、擴散系數(shù)（diffusion coefficient） 對于間隙型擴散、置換型擴散及對于間隙型擴散、置換型擴散及(純金屬的自擴散都純金屬的自擴散都(可導可導出出D：(Ahrrenius equation)2775.7-FeMn2834.4-FeNi2701.8-FeFe23919-FeFe750.46-FeN840.20

21、-FeC1440.33-FeNQ/103J/molD0/105m2/s基體金屬基體金屬擴散元素擴散元素)exp(0RTQDD53/83 ： (1) Do為擴散常數(shù)為擴散常數(shù),與與S有關有關,其數(shù)值可查。其數(shù)值可查。 (2) Q為每摩爾原子擴散的激活能為每摩爾原子擴散的激活能(activation energy of diffusion)。對于間隙型擴散，對于間隙型擴散，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；對于置換型擴散或自擴散，對于置換型擴散或自擴散，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為絕對為絕對溫度溫度(K)。 (4) 不同擴散機制的擴散系數(shù)表達形式相同，但不同擴散機制的擴散系數(shù)表達形式相同，但D和和Q值不同。值不同。)exp(0RTQDD54/83 晶 體 中 原 子 擴 散 機 制 不 同晶 體 中 原 子 擴 散 機 制 不 同 , , 其 擴 散 激 活 能其 擴 散 激 活 能（activation engeryactivation engery）不同。但可以通過實驗求不同。但可以通過實驗求得擴散激活能得擴散激活能Q Q。其方法如下：其方法如下： 由實驗確定由實驗確定lnDlnD與與1/1/T T的關系。若的關系。若lnDln

23、D1/T1/T呈直呈直線關系線關系, ,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無關無關, ,只與擴散機制及材料有關。只與擴散機制及材料有關。55/83 原子擴散無規(guī)則行走原子擴散無規(guī)則行走( (random walk) random walk) （醉步）（醉步）是指擴散原子的行走是向各個方向隨機跳躍的。是指擴散原子的行走是向各個方向隨機跳躍的。 其擴散距離與擴散時間的平方根成正比。其擴散距離與擴散時間的平方根成正比。56/83 由前述可知由前述可知,在一定條件下擴散的快慢主要與在一定條件下擴散的快慢主要與

24、D有關，而有關，而D與與T、Q有關，即：有關，即： T以及能改變以及能改變Do、Q的因素均能影響擴散。這的因素均能影響擴散。這些因素包括些因素包括: 溫度、固溶體類型、晶體結構、晶體溫度、固溶體類型、晶體結構、晶體缺陷、化學成分、應力和磁性。缺陷、化學成分、應力和磁性。57/83 由由可知，可知，擴散溫度擴散溫度T與擴散系數(shù)與擴散系數(shù)D是指是指數(shù)關系數(shù)關系，因此，因此非常大，是最主要的因非常大，是最主要的因素。擴散溫度越高，擴散原子的能量越大，越容易發(fā)生躍遷，素。擴散溫度越高，擴散原子的能量越大，越容易發(fā)生躍遷，故擴散系數(shù)越大。故擴散系數(shù)越大。 例如例如，碳在，碳在-Fe中擴散，中擴散，927

25、時，時，D=1.6110-11 m2/s，而在而在1027時，時，D=4.7410-11 m2/s?？梢姡瑴囟葟目梢?，溫度從927提提高到高到1027，就使擴散系數(shù)，就使擴散系數(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，生產上各種受擴散控制的過程都要考慮溫度的重倍。所以，生產上各種受擴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原子的不同類型的固溶體溶質原子的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，間隙原子擴散也快得多。小得多，間隙原子擴散也快得多。 固溶體主要有間隙固溶體和置換固溶體，在

26、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，溶質原子的擴散機制完全不同。中，溶質原子的擴散機制完全不同。 在間隙固溶體中，溶質原子以間隙擴散為機制，擴散激在間隙固溶體中，溶質原子以間隙擴散為機制，擴散激活能較小，原子擴散較快；反之，在置換固溶體中，溶質原子活能較小，原子擴散較快；反之，在置換固溶體中，溶質原子以空位擴散為機制，由于原子尺寸較大，晶體中的空位濃度又以空位擴散為機制，由于原子尺寸較大，晶體中的空位濃度又很低，其擴散激活能比間隙擴散大得多很低，其擴散激活能比間隙擴散大得多。 如：如：C在在-Fe中中,1200K時，時，Dc=1.6110-11 ms， Ni在在-

27、Fe中中,1200K時，時，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散時，其同一元素在不同基體金屬中擴散時，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合力越大，熔點就越基體金屬原子間的結合力越大，熔點就越高，擴散激活能也越大，擴散越困難。高，擴散激活能也越大，擴散越困難。 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=3

28、6533653K)K)中的擴散激活能分別為：中的擴散激活能分別為：103103、114114、159159、169 169 (kJ/mol)(kJ/mol)。 60/83 (2) 同一種擴散元素在同一種基體金屬的不同晶體同一種擴散元素在同一種基體金屬的不同晶體結構（具有同素異構轉變的金屬）中的擴散系數(shù)也不結構（具有同素異構轉變的金屬）中的擴散系數(shù)也不相同。相同。晶體結構也對擴散系數(shù)有明顯的影響。結構不晶體結構也對擴散系數(shù)有明顯的影響。結構不同，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?。恢旅芏刃?，??；致密度小，D大。晶體的對稱性對大。晶體的對稱性

29、對D也有影響。也有影響。(晶體結構的影響晶體結構的影響) 例如例如，900時碳在時碳在-Fe(bcc)和和-Fe(fcc)中的擴散中的擴散系數(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中的擴散比在中的擴散比在-Fe中中的擴散更容易，速度更快。的擴散更容易，速度更快。61/83 (3)(3)不同元素在同一基體金屬中擴散，其擴散常數(shù)不同元素在同一基體金屬中擴散，其擴散常數(shù)D D0 0和擴散激活能和擴散激活能Q Q各不相同各不相同。 規(guī)律：規(guī)律：擴散元素在基體金屬中造成的晶格畸變越擴散元素在基體金屬中

30、造成的晶格畸變越大（間隙原子的半徑越大，對基體造成的晶格畸變越大（間隙原子的半徑越大，對基體造成的晶格畸變越大、原子處于較高的能量起伏狀態(tài)，易于跳躍），擴大、原子處于較高的能量起伏狀態(tài)，易于跳躍），擴散激活能就越小，則擴散系數(shù)越大，擴散越容易，擴散激活能就越小，則擴散系數(shù)越大，擴散越容易，擴散越快。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中中的擴散的擴散。表內為間隙原子在。表內為間隙原子在-Fe-Fe中的擴散參中的擴散參數(shù)，數(shù)，表中表中D D的值是應用的值是應用4.394.39式計算所得式計算所得62/83擴擴 散散 元

31、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、線、面缺陷都會影響擴散系數(shù)。點、線、面缺陷都會影響擴散系數(shù)。缺陷的密度增加，擴散系數(shù)增加，金屬原子或置換原缺陷的密度增加，擴散系數(shù)增加，金屬原子或置換原子的擴散越快子的擴散越快 。但晶體缺陷對對間隙原子擴散的影響。但晶體缺陷對對間隙原子擴散的影響則比較復雜。這是因為，晶體缺陷

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

33、進行的擴散稱為體擴散或晶格擴散。為體擴散或晶格擴散。u 在實際生產中這幾種擴散同時進行在實際生產中這幾種擴散同時進行,并并且在溫度較低時，所起的作用更大。且在溫度較低時，所起的作用更大。65/83 lnD1/T成直線關系，單、多晶體成直線關系，單、多晶體D的變化圖。說明：的變化圖。說明： (1) 單晶體的擴散系數(shù)表征了晶內單晶體的擴散系數(shù)表征了晶內Dl;而多晶體的而多晶體的D是晶內擴是晶內擴散和晶界擴散共同作用的表象擴散系數(shù)。散和晶界擴散共同作用的表象擴散系數(shù)。 (2) 對對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、晶界擴散也有各向異性。晶粒尺寸越小，金屬的晶界面晶界擴散也有各向異性。晶粒尺寸越小，金屬的晶界面積越多，晶界擴散對擴散系數(shù)的貢獻就越大。積越多，晶界擴散對擴散系數(shù)的貢獻就越大。鋅在黃銅中的擴散系數(shù)（數(shù)字為平均晶粒直徑）鋅在黃銅中的擴散系數(shù)（數(shù)字為平均晶粒直徑） 66/83 (4) 晶界擴散比晶內擴散快得多。晶界擴散比晶內擴散快得多。而對于間隙固溶體而對于間隙固溶體,溶質原子半徑小溶質原子半徑小易擴散易擴散,其其DlDb。 (5) 晶體表面擴散比晶界擴散還晶體表面擴散比晶界擴散還要快。要快。DlDbDs。 (6) 溫度較低時晶界擴散激活能溫度較低時晶界擴散激活能比體擴散激活能小得多，晶界擴散比體

35、擴散激活能小得多，晶界擴散起主導作用；溫度較高時晶體中的起主導作用；溫度較高時晶體中的空位濃度增加，擴散速度加快，體空位濃度增加，擴散速度加快，體擴散起主導作用。擴散起主導作用。鋅在黃銅中的擴散系數(shù)鋅在黃銅中的擴散系數(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。的大小與組元特性有關。 (2) D與溶質濃度有關。與溶質濃度有關。 (3) 第三組元第三組元(或雜質或雜質)對二元合金擴散對二元合金擴散也有影響，但很復雜。也有影響，但很復雜。其他元素在銅中的其他元素在銅中的DAu-Ni系中系中D與濃度的關系與濃度的關系碳在碳在-Fe中的擴散系數(shù)中的擴散系

36、數(shù) 68/83 例如鋼中加入例如鋼中加入Me，對，對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，能強烈阻止碳的擴等，能強烈阻止碳的擴散，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 對對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，比較復雜。比較復雜。Co、Ni等使等使D升高，升高，Si等使等使D下降。下降。合金元素對碳在合金元素對碳在-Fe中擴散系數(shù)的影響中擴散系數(shù)的影響69/83 (1) 合

37、金內存在應力場、應力提供驅動力合金內存在應力場、應力提供驅動力F。應。應力升高、力升高、F升高，據(jù)升高，據(jù)，V升高升高 (2) 外界施加應力，在合金中產生彈性應力梯度，外界施加應力，在合金中產生彈性應力梯度，促進原子遷移。促進原子遷移。 具有磁性轉交的金屬在鐵磁性狀態(tài)下的具有磁性轉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 在許多的實際相圖中，不僅包含一種固溶體，在許多的實際相圖中，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 如果由構成這樣相圖的兩個組元制成擴散偶，如果由構成這樣相圖的兩個組元制成擴散

38、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間足夠的情況下，就會由于作為基體度適宜保溫時間足夠的情況下，就會由于作為基體的組元過飽和而反應生成一種或者幾種新的合金相的組元過飽和而反應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)：當某種元素當某種元素擴散擴散, ,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。即在擴散中由于成分的變化，通過化學反應而伴隨著新相的形即在擴散

39、中由于成分的變化，通過化學反應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) )的擴散過程。的擴散過程。 反應擴散生成的新相與原來的基體相之間存在明顯的觀察反應擴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。反應擴散可以參考平也可以是固溶體。反應擴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。 ：在相界面處產生成分突變：在相界面處產生成分突變, ,突變的濃度正突變的濃度正好對應于相圖相的極限濃度。好對應于相圖相的極限濃度。 許多相變的過程是有成分的變化，或由擴散過程來控制的。許多相變的過程是有成分的變化，或由擴散

40、過程來控制的。了解反應擴散的規(guī)律對了解由成分的變化來控制的相變有十分了解反應擴散的規(guī)律對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反應擴散時的相圖（反應擴散時的相圖（a）與對應的濃度分布（）與對應的濃度分布（b）和相分布（）和相分布（c）73/83 純鐵在純鐵在520C氮化時可氮化時可由由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氮

41、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，氣氛能使表明達到滲碳，氣氛能使表明達到的最高溶解的碳量為的最高溶解的碳量為C CS S，因為再高將形成碳化物。表面為，因為再高將形成碳化物。表面為CSCS的的固溶體為固溶體為相，從表面向內，碳的含量逐漸減少，直到碳含量相，從表面向內，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，表面達到含量逐漸提高，表面達到C C1 1處。

42、從相圖可知它們到達互相平衡，處。從相圖可知它們到達互相平衡，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。 隨時間的加長，在隨時間的加長，在相存相存在碳的濃度梯度，碳不斷向內在碳的濃度梯度，碳不斷向內擴散，在擴散，在/相界面碳多余相界面碳多余進入到進入到相，平衡破壞，部分相，平衡破壞，部分的的得到碳轉變生成得到碳轉變生成相，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，而是相界面向內不變，而是相界面向內遷移，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行擴散過程中，不會出現(xiàn)在二元合金

43、的在一定溫下進行擴散過程中，不會出現(xiàn)兩相區(qū)。當然二元合金的恒溫擴散過程中為什么不會出現(xiàn)兩相區(qū)。當然二元合金的恒溫擴散過程中為什么不會出現(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，只要知道這個結論。值得指出的是這表現(xiàn)在恒溫擴散過程只要知道這個結論。值得指出的是這表現(xiàn)在恒溫擴散過程時，處理結束后冷卻下來，材料會遵照相圖的規(guī)律發(fā)生相時，處理結束后冷卻下來，材料會遵照相圖的規(guī)律發(fā)生相關的變化，所以并不代表到室溫時不存在兩相區(qū)，但這個關的變化，所以并不代表到室溫時不存在兩相區(qū)，但這個成分的突變會保留下來。成分的突變會保留下來。76/83 (Sel

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