固體材料中的擴(kuò)散

固體材料中的擴(kuò)散大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院材化131-06陳嘉敏固體中的擴(kuò)散擴(kuò)散的微觀機(jī)制影響擴(kuò)散的因素?cái)U(kuò)散的應(yīng)用擴(kuò)散的微觀機(jī)制微觀擴(kuò)散機(jī)制間隙擴(kuò)散置換擴(kuò)散影響擴(kuò)散的因素溫度晶體結(jié)構(gòu)固溶體類型濃度雜質(zhì)的影響晶體缺陷的影響影響擴(kuò)散的因素間隙擴(kuò)散

在間隙固溶體中溶質(zhì)原子的擴(kuò)散是從一個(gè)間隙位置跳到鄰近的另一個(gè)間隙位置，發(fā)生間隙擴(kuò)散。置換擴(kuò)散對(duì)于置換型固溶體，置換原子很難移動(dòng)，因?yàn)槠湎噜徃顸c(diǎn)衛(wèi)視通常被其他原子占據(jù)。

前人提出很多機(jī)制解釋置換型固溶體的原子擴(kuò)散過(guò)程，如：直接交換機(jī)制，環(huán)形擴(kuò)散機(jī)制，空位擴(kuò)散機(jī)制以及間隙擴(kuò)散機(jī)制。其中空位擴(kuò)散機(jī)制的激活能最小，因此它是最可能發(fā)生的一種擴(kuò)散機(jī)制。

形狀記憶合金它是指在某種條件下經(jīng)過(guò)一定的塑性變形后,加熱到一定溫度時(shí),材料能完全恢復(fù)到變形前原來(lái)形狀的具有一定形狀的固體材料。即它能記憶母相的形狀。Tini形狀記憶合金是一種功能材料，除具有比強(qiáng)度高、耐磨、耐腐蝕、無(wú)磁、生物相容性好等特點(diǎn)外，還具有奇特的形狀記憶性能和超彈性性能。其廣泛用于宇航、通信、醫(yī)療、自動(dòng)控制、儀器儀表、管道連接、眼鏡制造以及日常生活等方面。擴(kuò)散焊指在一定溫度和壓力下，待焊表面相互靠近、相互接觸，通過(guò)使局部發(fā)生微觀塑性變形，或通過(guò)被連接表面產(chǎn)生的瞬態(tài)液相而擴(kuò)大被連接表面的物理接觸，然后經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的原子間相互擴(kuò)散、相互滲透，而形成冶金相結(jié)合的連接過(guò)程。瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊在被焊材料之間加一層有利于擴(kuò)散的中間材料，該材料在焊接加熱時(shí)熔化形成少量的液相，填充縫隙，元素向母材擴(kuò)散，形成冶金連接的擴(kuò)散焊方法。TiNiSMA具有特殊的性能被廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)制造和醫(yī)療器械等領(lǐng)域，但TiNiSAM的造價(jià)較貴，將其與性能優(yōu)異價(jià)格低廉的不銹鋼連接起來(lái)，有助于降低成本，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

TiNiSAM和不銹鋼的物理化學(xué)性質(zhì)相差很大，采用等離子弧焊、激光焊等方法是接頭易產(chǎn)生應(yīng)力集中而開(kāi)裂，且產(chǎn)生的脆性金屬間化合物嚴(yán)重影響接頭的性能。

采用加入中間層的擴(kuò)散連接技術(shù)可以有效緩解接頭的應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)材料：

50.2Ti49.8Ni形狀記憶合金板和304不銹鋼板，尺寸均為10mm*10mm*2mm。

采用50μm厚的AgCu金屬箔做中間過(guò)渡層。接頭組織及界面反應(yīng)層形貌接頭組織及界面反應(yīng)層形貌接口剪切斷口TiNi冊(cè)形貌M區(qū)主要含Ti元素和Fe元素，斷裂發(fā)生在晶粒上，為典型的金屬間化合物。N區(qū)Ag元素和Cu元素含量增加，微觀形貌為方向一致的纖維狀韌窩，呈韌性斷裂特征。整個(gè)斷口表面較平坦，脆性斷裂和韌性斷裂交互存在。雖然韌性斷裂占據(jù)大部分區(qū)域，但裂紋首先在脆性金屬間化合物出發(fā)生，并向N區(qū)擴(kuò)展。研究等溫凝固階段動(dòng)力學(xué)左坐標(biāo)系的原點(diǎn)為基體A與液相區(qū)在等溫凝固開(kāi)始時(shí)的原始界面；右坐標(biāo)系的原點(diǎn)為基體B和液相區(qū)在等溫凝固開(kāi)始時(shí)的原始界面，坐標(biāo)系的正方向?yàn)槿苜|(zhì)原子擴(kuò)散的方向。等溫凝固過(guò)程進(jìn)行到某一時(shí)刻t，對(duì)于左坐標(biāo)系，在t時(shí)刻液界面遷移到c1位置，根據(jù)菲克第二定律，溶質(zhì)原子在基體中的擴(kuò)散可以描述為：C—濃度，t—時(shí)間，D1—中間層溶質(zhì)原子在基體A中的擴(kuò)散系數(shù)。TiNiSMA-304不銹鋼TLP連接中間層溶質(zhì)原子Cu擴(kuò)散濃度曲線示意圖左坐標(biāo)系的原點(diǎn)為基體A與液相區(qū)在等溫凝固開(kāi)始時(shí)的原始界面；右坐標(biāo)系的原點(diǎn)為基體B和液相區(qū)在等溫凝固開(kāi)始時(shí)的原始界面，坐標(biāo)系的正方向?yàn)槿苜|(zhì)原子擴(kuò)散的方向。結(jié)論TiNiSMA/AgCu/304不銹鋼瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊界面具有明顯的擴(kuò)散特征。由于靠近TiNi一側(cè)界面發(fā)生大量的脆性金屬間化合物，斷裂發(fā)生在TiNi母材和AgCu