第六章金屬及合金的擴(kuò)散2

（優(yōu)選）第六章金屬及合金的擴(kuò)散目前一頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)擴(kuò)散:物質(zhì)中原子（或分子）的遷移現(xiàn)象，是在右濃度梯度、化學(xué)位梯度、應(yīng)力梯度或其他梯度存在的條件下，借助熱運(yùn)動(dòng)引起物質(zhì)的宏觀定向輸送過(guò)程。原子的微觀運(yùn)動(dòng)會(huì)引起物質(zhì)的宏觀流動(dòng),氣體和液體的擴(kuò)散易察覺(jué).時(shí)間水高碳含量區(qū)域低碳含量區(qū)域碳的擴(kuò)散方向Fe-C合金擴(kuò)散現(xiàn)象擴(kuò)散方向是自濃度高的方向向濃度低的方向進(jìn)行，直至各處濃度均勻?yàn)橹?目前二頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)擴(kuò)散定律菲克第一定律將溶質(zhì)濃度不均勻的固溶體合金棒加熱到高溫，則溶質(zhì)原子將從濃度較高一端向濃度較低一端擴(kuò)散，并沿長(zhǎng)度方向形成濃度梯度.如在擴(kuò)散過(guò)程中各處濃度C只隨距離X變化，不隨時(shí)間t變化，則單位時(shí)間通過(guò)單位垂直截面的擴(kuò)散流量J對(duì)于各處都相等。即：每一時(shí)刻從左邊擴(kuò)散來(lái)多少原子，就向右邊擴(kuò)散走多少原子，沒(méi)有盈虧，濃度不隨時(shí)間變化，這種擴(kuò)散稱穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散。c1c2dxJ(c1>c2)目前三頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)——

菲克第一定律J-擴(kuò)散流量，表示擴(kuò)散物質(zhì)流過(guò)單位截面速度；D-擴(kuò)散系數(shù),反映擴(kuò)散速度的物理量,是單位濃度梯度時(shí)的擴(kuò)散流量，D值越大,擴(kuò)散越快;

：組元沿著擴(kuò)散方向的體積濃度梯度;負(fù)號(hào)：表示擴(kuò)散流方向與濃度梯度方向相反;目前四頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)菲克第二定律非穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散:在擴(kuò)散過(guò)程中，各處的濃度梯度不僅隨距離x變化，而且隨時(shí)間t變化。目前五頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)把Cu、Ni棒對(duì)焊，在焊接面上鑲嵌上鎢絲作為界面標(biāo)志。加熱到高溫并保溫，界面標(biāo)志鎢絲向純Ni一側(cè)移動(dòng)了一段距離.柯肯達(dá)爾效應(yīng):置換互溶組元所構(gòu)成的擴(kuò)散偶中,由于兩種原子以不同速度相對(duì)擴(kuò)散,擴(kuò)散通量不相等造成標(biāo)記面漂移的現(xiàn)象.固態(tài)擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)(柯肯達(dá)爾效應(yīng))目前六頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)固態(tài)金屬中原子的躍遷金屬晶體中的原子按一定規(guī)律呈周期性重復(fù)排列，每個(gè)原子都處于周期性規(guī)律變化的結(jié)合能曲線的勢(shì)能谷中，相鄰原子間都隔著一個(gè)勢(shì)壘Q。原子時(shí)刻進(jìn)行著熱振動(dòng)，振動(dòng)能量與溫度有關(guān)。當(dāng)溫度不變時(shí)，存在著能量起伏。能量起伏的存在使部分原子具有足夠高的能量,跨越勢(shì)壘,由原來(lái)平衡位置躍遷到相鄰平衡位置。只要熱力學(xué)溫度不是零度，原子就有熱振動(dòng)，依靠能量起伏被熱激活，以進(jìn)行遷移。目前七頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)固態(tài)擴(kuò)散是大量原子無(wú)序躍遷的統(tǒng)計(jì)結(jié)果原子向各個(gè)方向躍遷幾率相等,則可得原子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的位移：

：平均位移；n:原子跳動(dòng)次數(shù)；r：每次跳動(dòng)的位移；目前八頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)對(duì)于不同晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料，原子的跳動(dòng)方式不同，故擴(kuò)散機(jī)理隨晶體結(jié)構(gòu)的不同而變化。原因:擴(kuò)散不僅由原子的熱運(yùn)動(dòng)所控制，還受具體的晶體結(jié)構(gòu)制約。擴(kuò)散需具備的條件:能量條件與結(jié)構(gòu)條件擴(kuò)散模型(按照原子的跳動(dòng)方式分)間隙擴(kuò)散機(jī)理交換和輪換擴(kuò)散機(jī)理空位擴(kuò)散機(jī)理擴(kuò)散機(jī)理目前九頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)

定義：原子在點(diǎn)陣間隙位置間躍遷導(dǎo)致的擴(kuò)散。間隙固溶體中,溶質(zhì)原子從其所占間隙位置跳到鄰近另一個(gè)空著的間隙位置;置換固溶體中,溶質(zhì)或溶劑原子從原來(lái)所占據(jù)的平衡位置跳到間隙位置，再跳到鄰近其他間隙位置;間隙擴(kuò)散機(jī)理目前十頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)實(shí)現(xiàn)間隙擴(kuò)散的條件:結(jié)構(gòu)條件:擴(kuò)散原子周圍具備幾何間隙位置;能量條件:克服跳動(dòng)時(shí)周圍陣點(diǎn)原子的阻力;間隙固溶體中,溶質(zhì)原子占據(jù)的間隙位置很少,大部分是空的,可供間隙原子跳動(dòng),間隙擴(kuò)散可能性大.置換固溶體中,原子尺寸大,間隙很小,處于平衡位置的原子要跳入很小的間隙位置,且還要通過(guò)兩個(gè)原子之間更小的間隙跳到另一個(gè)間隙位置.目前十一頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)置換原子的兩種間隙擴(kuò)散模型頂替式:原子跳入間隙后,再進(jìn)行跳動(dòng)時(shí),不是跳入另外的間隙中,而是將臨近的處于正常位置的原子推到間隙中,它自己則重新占據(jù)這個(gè)空下的正常位置,如此反復(fù)進(jìn)行,就會(huì)不斷地發(fā)生擴(kuò)散.因此,間隙機(jī)理所需能量更低.擠列式:由一系列原子占據(jù)的線段內(nèi)多擠入了一個(gè)原子而組成一系列擠壓的原子,幾列在晶體點(diǎn)陣中運(yùn)動(dòng)引起擴(kuò)散.目前十二頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)在純金屬或置換固溶體中，原子可以通過(guò)換位進(jìn)行擴(kuò)散.直接換位擴(kuò)散機(jī)制:兩原子交換位置時(shí)須同時(shí)起跳,點(diǎn)陣畸變很大,需要克服很高的能壘,很難.環(huán)形換位模型:顯然環(huán)形旋轉(zhuǎn)換位方式引起的晶格畸變要小得多,故這種擴(kuò)散機(jī)理是可能的.換位擴(kuò)散機(jī)理目前十三頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)定義：通過(guò)擴(kuò)散原子與空位交換位置來(lái)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的宏觀遷移。空位的存在，使周圍鄰近原子偏離平衡位置，勢(shì)能升高，從而使原子跳入空位所需跨越的勢(shì)壘高度降低，相鄰原子就易于向空位跳動(dòng)。溫度越高，空位越多，金屬中原子的擴(kuò)散越易?？瘴粩U(kuò)散機(jī)理空位擴(kuò)散是固態(tài)金屬最可能采取的擴(kuò)散機(jī)制目前十四頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)擴(kuò)散激活能空位激活能空位擴(kuò)散激活熵原子跳動(dòng)頻率激活能增大，原子跳動(dòng)頻率減小擴(kuò)散速度隨之減?。环粗?，擴(kuò)散加快。目前十五頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)目前十六頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)1、溫度要足夠高固態(tài)擴(kuò)散依靠原子遷移而進(jìn)行。溫度越高，原子熱振動(dòng)越激烈，被激活而遷移的幾率越大。只要熱力學(xué)溫度不是零，總有部分原子被激活而遷移。溫度低時(shí)，原子被激活的幾率很低，表現(xiàn)不出物質(zhì)輸送的宏觀效果，好象擴(kuò)散過(guò)程被“凍結(jié)”。固態(tài)金屬擴(kuò)散的條件其中Do稱為頻率因子，Q稱為擴(kuò)散活化能。擴(kuò)散系數(shù)目前十七頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)

原子在晶體中躍遷一次最多移動(dòng)0.3-0.5nm的距離，擴(kuò)散1mm的距離須躍遷億萬(wàn)次。且原子躍遷的過(guò)程是隨機(jī)的，所以，只有經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間才能造成物質(zhì)的宏觀定向遷移。3、擴(kuò)散原子要固溶擴(kuò)散原子在基體金屬中必須有一定固溶度，溶入基體晶格形成固溶體，才能進(jìn)行固態(tài)擴(kuò)散。例1：在水中滴墨水，可很快擴(kuò)散均勻.但在水中滴油，放置多久也不擴(kuò)散均勻。例2：鉛不能固溶于鐵，故鋼可以在鉛浴中加熱，獲得光亮清潔表面，不用擔(dān)心鉛粘附鋼材表面。2、時(shí)間要足夠長(zhǎng)目前十八頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)固態(tài)擴(kuò)散的分類根據(jù)擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相同與否分類下坡擴(kuò)散沿著濃度降低的方向進(jìn)行的擴(kuò)散，使?jié)舛融呌诰鶆蚧?、擴(kuò)散要有驅(qū)動(dòng)力擴(kuò)散過(guò)程是在驅(qū)動(dòng)力作用下進(jìn)行的，擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力不是濃度梯度,而是化學(xué)位梯度。原因：一些擴(kuò)散過(guò)程沿著濃度降低的方向進(jìn)行，使?jié)舛融呌诰鶆蚧硪恍U(kuò)散過(guò)程是沿著濃度升高的方向進(jìn)行。上坡擴(kuò)散沿著濃度升高的方向進(jìn)行的擴(kuò)散，即由低濃度向高濃度方向擴(kuò)散，使?jié)舛劝l(fā)生兩極分化。目前十九頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)根據(jù)擴(kuò)散過(guò)程中是否發(fā)生濃度變化分類自擴(kuò)散：不伴有濃度變化的擴(kuò)散，與濃度梯度無(wú)關(guān)，只發(fā)生在純金屬和均勻固溶體中。例:純金屬的晶粒長(zhǎng)大是大晶粒吞并小晶粒。晶界移動(dòng)，原子由小晶粒向大晶粒遷移，無(wú)濃度變化?；U(kuò)散：伴有濃度變化的擴(kuò)散，與異類原子的濃度差有關(guān)。擴(kuò)散過(guò)程中，異類原子相對(duì)擴(kuò)散，互相滲透，故又稱“異擴(kuò)散”或“化學(xué)擴(kuò)散”。根據(jù)擴(kuò)散過(guò)程中是否出現(xiàn)新相進(jìn)行分類原子擴(kuò)散在擴(kuò)散過(guò)程中基體晶格始終不變,沒(méi)有新相產(chǎn)生，稱為原子擴(kuò)散。目前二十頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)反應(yīng)擴(kuò)散通過(guò)擴(kuò)散，使固溶體內(nèi)溶質(zhì)組元濃度超過(guò)固溶度極限而不斷形成新相的過(guò)程.(屬于一種相變擴(kuò)散)反應(yīng)擴(kuò)散形成的新相，可以是新的固溶體,也可以是各種化合物。例：鐵在1000℃加熱時(shí)被氧化，氧化層組織如圖，由表向內(nèi)依次為：Fe2O3、

Fe3O4、

FeO、Fe目前二十一頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)1、溫度影響擴(kuò)散的因素溫度是影響擴(kuò)散系數(shù)的最主要因素。D與T呈指數(shù)關(guān)系變化，隨溫度升高，擴(kuò)散系數(shù)急劇增大。溫度越高，原子振動(dòng)能越大，借助能量起伏而越過(guò)勢(shì)壘遷移的原子幾率越大。溫度升高，金屬內(nèi)部空位濃度提高，有利于擴(kuò)散。目前二十二頁(yè)\總數(shù)二十四頁(yè)\編于七點(diǎn)2、晶體結(jié)構(gòu)不同晶體結(jié)構(gòu)具有不同擴(kuò)散系數(shù)。原因:在密堆積點(diǎn)陣中的擴(kuò)散比在非密堆積點(diǎn)陣中的慢.原子排列密度大的點(diǎn)陣,原子移動(dòng)需要克服的原子結(jié)合力大,所需的擴(kuò)散激活能大,因此,擴(kuò)散系數(shù)小.3、固溶體類型固溶體類型不同，溶質(zhì)原子的擴(kuò)散激活能不同。間隙原子的擴(kuò)散激活能都比置換原子的小，所以擴(kuò)散速度比較大。在某些晶體結(jié)構(gòu)中，原子擴(kuò)散還具有各向異性的特點(diǎn)。如密排六方結(jié)構(gòu)的鋅，在340-410℃范圍內(nèi)加熱時(shí)，垂直于Z軸方向的擴(kuò)散系