哈工大崔忠圻老師金屬學(xué)與熱處理課件 第七章 擴(kuò)散

1、第七章第七章 擴(kuò)散擴(kuò)散本章重點(diǎn)本章重點(diǎn) : (1) 擴(kuò)散的概念與本質(zhì)擴(kuò)散的概念與本質(zhì) (2) (2) 固態(tài)金屬擴(kuò)散的條件固態(tài)金屬擴(kuò)散的條件 (3) (3) 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 定義定義： 物質(zhì)中原子或分子通過無物質(zhì)中原子或分子通過無規(guī)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致宏觀遷移與傳質(zhì)的現(xiàn)象。規(guī)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致宏觀遷移與傳質(zhì)的現(xiàn)象。 移動(dòng)距離超過平均原子間距移動(dòng)距離超過平均原子間距 擴(kuò)散現(xiàn)象：柯肯達(dá)爾效應(yīng)（擴(kuò)散現(xiàn)象：柯肯達(dá)爾效應(yīng)（P214）物質(zhì)傳輸方式物質(zhì)傳輸方式： 氣、液氣、液 ：擴(kuò)散擴(kuò)散 固固 ： 擴(kuò)散擴(kuò)散 唯一機(jī)制唯一機(jī)制1 擴(kuò)散定義與本質(zhì)擴(kuò)散定義與本質(zhì) 對(duì)流、對(duì)流、本質(zhì)：本質(zhì)： 大量原子不斷大量原子不斷克服克服原

2、子之間原子之間 能壘能壘，躍躍遷遷到鄰近位置，實(shí)現(xiàn)到鄰近位置，實(shí)現(xiàn)宏觀的物質(zhì)遷移宏觀的物質(zhì)遷移過程。過程。 阻阻 力：鄰近原子間勢(shì)能壘力：鄰近原子間勢(shì)能壘 驅(qū)動(dòng)力：熱振動(dòng)原子的能量起伏驅(qū)動(dòng)力：熱振動(dòng)原子的能量起伏 與溫度有關(guān)與溫度有關(guān)Q2 擴(kuò)散機(jī)制擴(kuò)散機(jī)制 (1) 換位擴(kuò)散換位擴(kuò)散主要機(jī)制主要機(jī)制 小原子小原子 難難 (2) 空位擴(kuò)散空位擴(kuò)散 (3) 間隙擴(kuò)散間隙擴(kuò)散 3 擴(kuò)散的條件擴(kuò)散的條件 存在擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力存在擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力熱力學(xué)條件熱力學(xué)條件 梯度：化學(xué)位、溫度、應(yīng)力、梯度：化學(xué)位、溫度、應(yīng)力、 電場(chǎng)、磁場(chǎng)等電場(chǎng)、磁場(chǎng)等 擴(kuò)散原子與基體有固溶性擴(kuò)散原子與基體有固溶性前提條件前提條件 足夠高溫度

3、足夠高溫度動(dòng)力學(xué)條件：動(dòng)力學(xué)條件： 足夠長(zhǎng)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)間 宏觀遷移的動(dòng)力學(xué)條件宏觀遷移的動(dòng)力學(xué)條件4 固態(tài)擴(kuò)散的分類固態(tài)擴(kuò)散的分類 通常擴(kuò)散伴隨濃度變化通常擴(kuò)散伴隨濃度變化, 且高濃度且高濃度低濃度低濃度 但實(shí)際上：并非一定如此但實(shí)際上：并非一定如此例如例如： 純金屬以及均勻固溶體中晶粒的長(zhǎng)純金屬以及均勻固溶體中晶粒的長(zhǎng)大大(晶界的遷移晶界的遷移)擴(kuò)散中無濃度擴(kuò)散中無濃度變化；變化；又如又如： 奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w時(shí)：奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w時(shí)： 奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體時(shí)碳奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體時(shí)碳由低濃度由低濃度的的奧氏體奧氏體向高濃度向高濃度的滲碳體的滲碳體擴(kuò)散擴(kuò)散擴(kuò)散的種類（類型）不同擴(kuò)散的種類（類型）

4、不同 固態(tài)擴(kuò)散的分類固態(tài)擴(kuò)散的分類根據(jù)擴(kuò)散中是否發(fā)生濃度變化分類根據(jù)擴(kuò)散中是否發(fā)生濃度變化分類 自擴(kuò)散自擴(kuò)散擴(kuò)散中無濃度變化擴(kuò)散中無濃度變化 純金屬以及均勻固溶體中晶粒的長(zhǎng)大純金屬以及均勻固溶體中晶粒的長(zhǎng)大 擴(kuò)散與濃度梯度無關(guān)擴(kuò)散與濃度梯度無關(guān)互互(異異)擴(kuò)散擴(kuò)散伴隨有濃度變化的擴(kuò)散伴隨有濃度變化的擴(kuò)散 不均勻固溶體均勻化過程中異類不均勻固溶體均勻化過程中異類原子的相對(duì)擴(kuò)散、互相滲透過程原子的相對(duì)擴(kuò)散、互相滲透過程 擴(kuò)散與濃度梯度有關(guān)，又稱化學(xué)擴(kuò)散與濃度梯度有關(guān)，又稱化學(xué)擴(kuò)散擴(kuò)散根據(jù)擴(kuò)散方向是否與濃度梯度的方向相同分類根據(jù)擴(kuò)散方向是否與濃度梯度的方向相同分類 下坡擴(kuò)散下坡擴(kuò)散沿濃度降低的方向擴(kuò)

5、散，即沿濃度降低的方向擴(kuò)散，即原子由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散。原子由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散。 不均勻固溶體均勻化過程、滲碳等。不均勻固溶體均勻化過程、滲碳等。上坡擴(kuò)散上坡擴(kuò)散沿濃度升高的方向擴(kuò)散，即沿濃度升高的方向擴(kuò)散，即原子由低濃度區(qū)向高濃度區(qū)擴(kuò)散。原子由低濃度區(qū)向高濃度區(qū)擴(kuò)散。根據(jù)擴(kuò)散中是否析出新相分類根據(jù)擴(kuò)散中是否析出新相分類 原子擴(kuò)散原子擴(kuò)散無新相產(chǎn)生。無新相產(chǎn)生。反應(yīng)擴(kuò)散反應(yīng)擴(kuò)散擴(kuò)散中有新相產(chǎn)生。擴(kuò)散中有新相產(chǎn)生。 要點(diǎn)：擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力要點(diǎn)：擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力化學(xué)位梯度，因多數(shù)化學(xué)位梯度，因多數(shù)情況下化學(xué)位梯度與濃度梯度方向一致，情況下化學(xué)位梯度與濃度梯度方向一致，故看起來擴(kuò)散方向似順著濃度梯

6、度方向。故看起來擴(kuò)散方向似順著濃度梯度方向。 溫度、應(yīng)力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等溫度、應(yīng)力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等5 擴(kuò)散定律擴(kuò)散定律一、一、 擴(kuò)散第一定律擴(kuò)散第一定律 菲克第一定律菲克第一定律 J = - DdC/dx J ：擴(kuò)散通量，擴(kuò)散通量，(g/cs) D：擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)(c/s)； dC/dx：濃度梯度濃度梯度 適于穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散適于穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，正比；，正比；dC/dt=0 xCC1C2dxJxx+dx二二 、 擴(kuò)散第二定律（菲克第二定律）擴(kuò)散第二定律（菲克第二定律） 非穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)： C（x，t） 或或dC/dt0 右圖，右圖，物質(zhì)的積存速率：物質(zhì)的積存速率： 在微小體積在微小體積Adx內(nèi)用體積濃度內(nèi)用體積濃

7、度C的變化率表示物的變化率表示物質(zhì)積存速率：質(zhì)積存速率： 化簡(jiǎn)：化簡(jiǎn)： 擴(kuò)散第二定律擴(kuò)散第二定律(菲克第二定律菲克第二定律) 適于非穩(wěn)態(tài)適于非穩(wěn)態(tài)即即dC/dt0將擴(kuò)散第一定律將擴(kuò)散第一定律J = - DdC/dx代入：代入：得：得： 當(dāng)當(dāng)D為常數(shù)時(shí)為常數(shù)時(shí)(與濃度無關(guān)與濃度無關(guān))：擴(kuò)散第二定律（菲克第二定律）表達(dá)式擴(kuò)散第二定律（菲克第二定律）表達(dá)式: D為常數(shù)時(shí)：為常數(shù)時(shí)：注意：注意：(1) 非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散普遍、通用的擴(kuò)散方程普遍、通用的擴(kuò)散方程(2) 求解難：須對(duì)具體擴(kuò)散條件進(jìn)行分析后，通過求解難：須對(duì)具體擴(kuò)散條件進(jìn)行分析后，通過建立邊界條件、初始條件以及建立邊界條件、初始條件以及C

8、 表達(dá)式的推測(cè)，表達(dá)式的推測(cè)，給出特殊的解。給出特殊的解。 實(shí)際中常見的幾種解可參考上?？萍汲霭嫔鐚?shí)際中常見的幾種解可參考上?？萍汲霭嫔绫R光熙盧光熙金屬學(xué)教程金屬學(xué)教程6 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 J = - DdC/dx D； dC/dx D = D0exp(-Q/RT) (1) 溫度溫度： T，D 指數(shù)關(guān)系，指數(shù)關(guān)系， 原因：振動(dòng)原因：振動(dòng)，能量起伏，能量起伏；空位；空位，(2) 基體基體的組織的組織結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)類型： 致密型致密型 Q，D。 例如：例如：D -Fe 240D-Fe (912) ; 固溶體相類型固溶體相類型： 間隙式間隙式置換式置換式 Q 小小思考思考1： 滲碳應(yīng)當(dāng)在滲碳應(yīng)當(dāng)在-Fe中還是在中還是在-Fe中進(jìn)行？中進(jìn)行？思考思考2： 冷加工金屬冷加工金屬與與退火金屬退火金屬的擴(kuò)散速率誰(shuí)大？的擴(kuò)散速率誰(shuí)大？晶體缺陷晶體缺陷： 缺陷缺陷，D 空位多；空位多；表面擴(kuò)散表面擴(kuò)散(3) 合金元素合金元素 A、影響基體點(diǎn)