材料科學(xué)基礎(chǔ)-擴(kuò)散.

1、第八章第八章 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 擴(kuò)散是物質(zhì)中原子（分子）的遷移現(xiàn)象，是物質(zhì)擴(kuò)散是物質(zhì)中原子（分子）的遷移現(xiàn)象，是物質(zhì)傳輸?shù)囊环N方式。例如：熔煉，偏析，均勻化，氧傳輸?shù)囊环N方式。例如：熔煉，偏析，均勻化，氧化等過(guò)程化等過(guò)程固態(tài)固態(tài) 擴(kuò)散（唯一機(jī)制）擴(kuò)散（唯一機(jī)制）氣、液氣、液 態(tài)態(tài)對(duì)流、擴(kuò)散、（帶電粒子遷移）對(duì)流、擴(kuò)散、（帶電粒子遷移） 擴(kuò)散定義擴(kuò)散定義： 物質(zhì)中原子或分子通過(guò)無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致宏物質(zhì)中原子或分子通過(guò)無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致宏觀遷移與傳質(zhì)的現(xiàn)象。

2、觀遷移與傳質(zhì)的現(xiàn)象。(移動(dòng)距離超過(guò)平均原子間距移動(dòng)距離超過(guò)平均原子間距 ) 1 擴(kuò)散概述擴(kuò)散概述 一、擴(kuò)散現(xiàn)象和本質(zhì)一、擴(kuò)散現(xiàn)象和本質(zhì) 擴(kuò)散通常是自濃度高的向低濃度方向進(jìn)行；固體擴(kuò)散通常是自濃度高的向低濃度方向進(jìn)行；固體也存在擴(kuò)散，但固體擴(kuò)散速率十分緩慢，如也存在擴(kuò)散，但固體擴(kuò)散速率十分緩慢，如柯肯達(dá)柯肯達(dá)爾效應(yīng)：（置換互溶的組元）爾效應(yīng)：（置換互溶的組元）l 固體金屬原子擴(kuò)散本質(zhì)：固體金屬原子擴(kuò)散本質(zhì)： 原子在其平衡位置進(jìn)行熱振動(dòng)，由于能量起伏，原子在其平衡位置進(jìn)行熱振動(dòng)，由于能量起伏，部分原子越過(guò)能壘；當(dāng)部分原子越過(guò)能壘；當(dāng)大量原子大量原子不斷克服原子之間不斷克服原子之間 能壘，躍遷到鄰近

3、位置時(shí)，即實(shí)現(xiàn)宏觀的物質(zhì)遷移過(guò)能壘，躍遷到鄰近位置時(shí)，即實(shí)現(xiàn)宏觀的物質(zhì)遷移過(guò)程。程。阻阻 力：鄰近原子間勢(shì)能壘（激活能力：鄰近原子間勢(shì)能壘（激活能Q）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)固態(tài)擴(kuò)散是大量原子無(wú)序躍遷的統(tǒng)計(jì)結(jié)果固態(tài)擴(kuò)散是大量原子無(wú)序躍遷的統(tǒng)計(jì)結(jié)果 若晶體周期場(chǎng)的勢(shì)能曲線是傾斜的，導(dǎo)致向右跳躍若晶體周期場(chǎng)的勢(shì)能曲線是傾斜的，導(dǎo)致向右跳躍的原子數(shù)大于反向跳回的原子數(shù)，大量原子無(wú)序遷躍的原子數(shù)大于反向跳回的原子數(shù)，大量原子無(wú)序遷躍的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，即造成了物質(zhì)的定向輸送的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，即造成了物質(zhì)的定向輸送擴(kuò)散擴(kuò)散 設(shè)存在純金屬8列原子，中間四列原子含有4個(gè)

4、同位素原子，每個(gè)原子平均躍遷一次后出現(xiàn)的同位素原子分布情況。二、擴(kuò)散機(jī)制二、擴(kuò)散機(jī)制 擴(kuò)散不僅由原子擴(kuò)散不僅由原子熱運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)所控制，而且還要受具體的所控制，而且還要受具體的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)所制約；即擴(kuò)散機(jī)制隨晶體結(jié)構(gòu)不同而變化所制約；即擴(kuò)散機(jī)制隨晶體結(jié)構(gòu)不同而變化 (2) 間隙擴(kuò)散間隙擴(kuò)散小原子小原子 如：碳在奧氏體中擴(kuò)散如：碳在奧氏體中擴(kuò)散 (1) 空位擴(kuò)散空位擴(kuò)散主要機(jī)制主要機(jī)制 如：自擴(kuò)散，置換擴(kuò)散如：自擴(kuò)散，置換擴(kuò)散兩種主要機(jī)制：兩種主要機(jī)制：交換機(jī)制交換機(jī)制環(huán)形機(jī)制環(huán)形機(jī)制空位機(jī)制空位機(jī)制松弛機(jī)制松弛機(jī)制簡(jiǎn)單間隙機(jī)制簡(jiǎn)單間隙機(jī)制 推填子間隙機(jī)制推填子間隙機(jī)制非共線推填子非共線推填子

5、啞鈴間隙擴(kuò)散啞鈴間隙擴(kuò)散啞鈴轉(zhuǎn)位擴(kuò)散啞鈴轉(zhuǎn)位擴(kuò)散擠列擴(kuò)散機(jī)制擠列擴(kuò)散機(jī)制三、固態(tài)金屬擴(kuò)散的條件三、固態(tài)金屬擴(kuò)散的條件 存在擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力存在擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力化學(xué)位梯度（不是濃度梯化學(xué)位梯度（不是濃度梯度）；此外，化學(xué)位梯度、溫度梯度、應(yīng)力梯度、度）；此外，化學(xué)位梯度、溫度梯度、應(yīng)力梯度、電場(chǎng)梯度、磁場(chǎng)梯度等也可以引起擴(kuò)散電場(chǎng)梯度、磁場(chǎng)梯度等也可以引起擴(kuò)散(熱力學(xué)熱力學(xué)) 擴(kuò)散原子與基體固溶擴(kuò)散原子與基體固溶（前提條件前提條件） 溫度足夠高溫度足夠高溫度越高，躍遷幾率大（溫度越高，躍遷幾率大（動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)） 足夠長(zhǎng)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)散擴(kuò)散1mm距離，必須躍遷億萬(wàn)次距離，必須躍遷億萬(wàn)次 （宏觀遷移的動(dòng)力學(xué)條件

6、宏觀遷移的動(dòng)力學(xué)條件）四、固態(tài)擴(kuò)散的分類四、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，但低濃度，但實(shí)際上：并非一定如此實(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)大純金屬以及均勻固溶體中晶粒的長(zhǎng)大(晶界的晶界的遷移遷移)擴(kuò)散中無(wú)濃度擴(kuò)散中無(wú)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奧氏體的奧氏體向向高濃度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）不同 自擴(kuò)散自擴(kuò)散擴(kuò)散中無(wú)濃度變化，即：擴(kuò)散中無(wú)濃度變化，即：擴(kuò)散與

7、濃擴(kuò)散與濃度梯度無(wú)關(guān)度梯度無(wú)關(guān)。如：純金屬以及均勻固溶體中晶。如：純金屬以及均勻固溶體中晶粒的長(zhǎng)大粒的長(zhǎng)大 互互(異異)擴(kuò)散擴(kuò)散伴隨有濃度變化的擴(kuò)散，即擴(kuò)散伴隨有濃度變化的擴(kuò)散，即擴(kuò)散與濃度梯度有關(guān)，又稱與濃度梯度有關(guān)，又稱化學(xué)擴(kuò)散化學(xué)擴(kuò)散；如；如:不均勻固不均勻固溶體均勻化過(guò)程中異類原子的相對(duì)擴(kuò)散、互相溶體均勻化過(guò)程中異類原子的相對(duì)擴(kuò)散、互相滲透過(guò)程等。滲透過(guò)程等。l 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 下坡擴(kuò)散下坡擴(kuò)散沿濃度降低的方向擴(kuò)散，即原子由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。如：固溶體均勻化過(guò)高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散。如：固溶體均勻化過(guò)程、

8、滲碳等。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，即原子由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。如低濃度區(qū)向高濃度區(qū)擴(kuò)散。如:奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣鈯W氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w時(shí)，體時(shí)，l根據(jù)擴(kuò)散方向與濃度梯度方向是否相同分類根據(jù)擴(kuò)散方向與濃度梯度方向是否相同分類 原子擴(kuò)散原子擴(kuò)散擴(kuò)散時(shí)晶格類型不變，無(wú)新相產(chǎn)生擴(kuò)散時(shí)晶格類型不變，無(wú)新相產(chǎn)生 反應(yīng)擴(kuò)散反應(yīng)擴(kuò)散溶質(zhì)超過(guò)固溶度，擴(kuò)散中有新相產(chǎn)生溶質(zhì)超過(guò)固溶度，擴(kuò)散中有新相產(chǎn)生 【要點(diǎn)要點(diǎn)】擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力化學(xué)位梯度化學(xué)位梯度，因多數(shù)情況，因多數(shù)情況下化學(xué)位梯度與濃度梯度方向一致，故看起來(lái)擴(kuò)散方下化學(xué)位梯度與濃度梯度方向一致，故看起

9、來(lái)擴(kuò)散方向似順著濃度梯度方向。此外，溫度梯度、向似順著濃度梯度方向。此外，溫度梯度、應(yīng)力梯度應(yīng)力梯度、電場(chǎng)梯度、磁場(chǎng)梯度等作用下也可發(fā)生上坡擴(kuò)散。電場(chǎng)梯度、磁場(chǎng)梯度等作用下也可發(fā)生上坡擴(kuò)散。l 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反應(yīng)擴(kuò)散可依據(jù)相圖分析。如：1000下Fe-O相圖由外至里依次由外至里依次：Fe2O3，F(xiàn)e3O4, FeO，最后-Fe 反應(yīng)擴(kuò)散在相界面處產(chǎn)生濃度突變反應(yīng)擴(kuò)散在相界面處產(chǎn)生濃度突變(極限溶解度極限溶解度)；依據(jù)相律可知，二元系擴(kuò)散層中依據(jù)相律可知，二元系擴(kuò)散層中不可能存在兩相區(qū)不可能存在兩相區(qū)2 擴(kuò)散定律擴(kuò)散定律J ：擴(kuò)散通量，擴(kuò)散通量，(g/cs)

10、 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xCC1C2dxJxx+dx一、菲克第一定律一、菲克第一定律 各處體積濃度各處體積濃度C只隨距離只隨距離x變化變化,即單位時(shí)間通過(guò)垂直截面物質(zhì)量即單位時(shí)間通過(guò)垂直截面物質(zhì)量J各處相等（穩(wěn)定擴(kuò)散）：各處相等（穩(wěn)定擴(kuò)散）： J = - DdC/dx 第一定律第一定律適于穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，適于穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，如氣體通過(guò)金如氣體通過(guò)金屬薄膜且不與金屬發(fā)生反應(yīng)時(shí)屬薄膜且不與金屬發(fā)生反應(yīng)時(shí)非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散： 各處濃度隨時(shí)間、距離變化，即各處濃度隨時(shí)間、距離變化，即C(x, t) 或或dC/dt0; 如圖，如圖，物質(zhì)積存速率物質(zhì)積存速率 微體積微體積Adx內(nèi)

11、物質(zhì)積存速率用體積濃度內(nèi)物質(zhì)積存速率用體積濃度C變化率表示：變化率表示：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） 化簡(jiǎn)化簡(jiǎn)：A將擴(kuò)散第一定律代入：將擴(kuò)散第一定律代入：適于非穩(wěn)態(tài)適于非穩(wěn)態(tài) 即即 dC/dt0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(guò)建求解難：須對(duì)具體擴(kuò)散條件進(jìn)行分析后，通過(guò)建立邊界條件、初始條件以及立邊界條件、初始條件以及C 表達(dá)式的推測(cè)，給出表達(dá)式的推測(cè)，給出特殊的解。特殊的

12、解。 常見(jiàn)幾種解參考盧光熙常見(jiàn)幾種解參考盧光熙金屬學(xué)教程金屬學(xué)教程上?？萍汲霭嫔缟虾？萍汲霭嫔缛?、擴(kuò)散應(yīng)用舉例三、擴(kuò)散應(yīng)用舉例l 鑄件均勻化退火鑄件均勻化退火若溶質(zhì)原子沿舉例x方向分布：均勻化時(shí)，振幅減小，波長(zhǎng)不變=0(x=0)有：有：即邊界條件：即邊界條件：最大值最大值l 金屬的粘結(jié)金屬的粘結(jié) 釬焊釬焊只釬料熔化只釬料熔化, 相相互擴(kuò)散形成牢固結(jié)合互擴(kuò)散形成牢固結(jié)合若均勻化后，成分偏析振幅降低若均勻化后，成分偏析振幅降低1%，此時(shí)：，此時(shí)：均勻化退火的時(shí)間與枝晶間距、擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系均勻化退火的時(shí)間與枝晶間距、擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系釬料成分向基材擴(kuò)散量按釬料成分向基材擴(kuò)散量按擴(kuò)散第一定律計(jì)算：擴(kuò)散第一定律

13、計(jì)算：1100下下Cu釬焊鐵基材時(shí)釬焊鐵基材時(shí)v 根據(jù)相圖判斷釬焊組織。釬料根據(jù)相圖判斷釬焊組織。釬料B與母材與母材A，若存在化合物，若存在化合物，T1下母材向釬料中溶解，界面達(dá)下母材向釬料中溶解，界面達(dá)C,出現(xiàn)出現(xiàn)金屬化合物。金屬化合物。v 釬料釬料B與母材與母材A形成共晶相圖，形成共晶相圖，B在在A中若超過(guò)溶解度極限中若超過(guò)溶解度極限在晶界上形成低熔點(diǎn)共晶體。在晶界上形成低熔點(diǎn)共晶體。 鍍鋅鍍鋅洗凈的鋼板浸入洗凈的鋼板浸入450熔融鋅槽若干分鐘。根據(jù)相熔融鋅槽若干分鐘。根據(jù)相圖分析鍍層組織：圖分析鍍層組織：鋅鍍層由表至里為鋅鍍層由表至里為Zn、五個(gè)單五個(gè)單相區(qū)，金屬化合物鍍層易剝落，適量加

14、入鋁減少脆性化合物相區(qū)，金屬化合物鍍層易剝落，適量加入鋁減少脆性化合物的量的量 。 采用燒結(jié)工藝提高粉末冶金制品的強(qiáng)度和致密度。粉末材料研制成型后，粉末微粒很多部位彼此接觸，在燒結(jié)過(guò)程中原子首先通過(guò)接觸面積大量擴(kuò)散，使孔隙尺寸減?。煌瑫r(shí)晶粒長(zhǎng)大，原子通過(guò)晶界擴(kuò)散使大量孔隙消失；若長(zhǎng)時(shí)間燒結(jié)可消除孔隙，是材料致密。粉末越細(xì)，擴(kuò)散距離越短，燒結(jié)時(shí)間越短 粉末冶金燒結(jié)粉末冶金燒結(jié)燒結(jié)質(zhì)量取決于：燒結(jié)質(zhì)量取決于：壓坯密度粉體性質(zhì)與粒度燒結(jié)工藝燒結(jié)溫度、時(shí)間等3 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 (1) 溫度溫度 溫度是影響擴(kuò)散最主要的因素。溫度是影響擴(kuò)散最主要的因素。T，D (指數(shù)關(guān)系指數(shù)關(guān)系) 原因：溫

15、度升高，原子振動(dòng)原因：溫度升高，原子振動(dòng)，能量起伏，能量起伏；空位數(shù)目；空位數(shù)目 單位時(shí)間擴(kuò)散量與擴(kuò)散系數(shù)和濃度梯度有關(guān)單位時(shí)間擴(kuò)散量與擴(kuò)散系數(shù)和濃度梯度有關(guān)J = - DdC/dx 參數(shù)：參數(shù)： D; dC/dx D = D0exp(-Q/RT)其中：其中： 原子擴(kuò)散激活能原子擴(kuò)散激活能Q取決于原子結(jié)合能，即鍵能，高熔點(diǎn)金屬取決于原子結(jié)合能，即鍵能，高熔點(diǎn)金屬擴(kuò)散激活能較高。擴(kuò)散激活能較高。 不同晶體結(jié)構(gòu)具有不同的擴(kuò)散系數(shù)；不同晶體結(jié)構(gòu)具有不同的擴(kuò)散系數(shù)；致密型致密型 的的, Q D; 例例如：如：912 D -Fe 240D-Fe;通常在奧氏體區(qū)滲碳原因：奧氏通常在奧氏體區(qū)滲碳原因：奧氏體

16、溶碳能力遠(yuǎn)大于鐵素體體溶碳能力遠(yuǎn)大于鐵素體; 溫度高擴(kuò)散系數(shù)大，有利于增大溫度高擴(kuò)散系數(shù)大，有利于增大滲碳層！滲碳層！ 原子擴(kuò)散各向異性原子擴(kuò)散各向異性；如；如:400 密排六方密排六方Zn,平行和垂直基面平行和垂直基面方向方向D相差相差200倍倍 ！二、鍵能和晶體結(jié)構(gòu)二、鍵能和晶體結(jié)構(gòu)間隙原子的擴(kuò)散激活能間隙原子的擴(kuò)散激活能Q 晶晶界界亞晶界亞晶界晶內(nèi)；晶內(nèi)；且溫度越高，其差且溫度越高，其差異越小異越小 ！ 四、晶體缺陷四、晶體缺陷原因：原因：晶體缺陷！晶界晶體缺陷！晶界,位錯(cuò)等擴(kuò)散激位錯(cuò)等擴(kuò)散激活能小活能小,有利擴(kuò)散。有利擴(kuò)散。思考思考： 冷加工與退火金屬的擴(kuò)散速率誰(shuí)大？冷加工與退火金屬的擴(kuò)散速率誰(shuí)大？五、化學(xué)成分五、化學(xué)成分 l 加入合金元素影響熔點(diǎn)時(shí)加入合金元素影響熔點(diǎn)時(shí) 若使合金熔點(diǎn)若使合金熔點(diǎn)或液相線或液相線降低，合金元素會(huì)促進(jìn)擴(kuò)散系數(shù)增加。降低，合金元素會(huì)促進(jìn)擴(kuò)散系數(shù)增加。原因原因：合金元素影響基體點(diǎn)陣中原子間結(jié)合力，進(jìn)而影響原子：合金元