第八章 金属热处理.ppt

第一节 概 述 “近朱者赤，近墨者黑”可以作为固态物质中一种扩散现象的描述。固体中的扩散速率十分缓慢，不像气体和液体中扩散那样易于察觉，但它确确实实地存在着。 扩散现象和本质 为了证实固态扩散的存在，可做下述试验：把Cu、Ni两根金属棒对焊在一起，在焊接面上镶嵌上几根钨丝作为界面标志。然后加热到高温并长时间保温后，令人惊异的事情发生了：作为界面标志的钨丝竟向纯Ni一侧移动了一段距离。经分析，界面的左侧（Cu）含有Ni原子，而界面的右侧（Ni）也含有Cu原子，但是左侧Ni的浓度大于右侧Cu的浓度，这表明，Ni向左侧扩散过来的原子数目大于Cu向右侧扩散过来的原子数目。过剩的Ni原子使得左侧的点阵膨胀，而右边原子减少的地方发生点阵收缩，其结果必然导致界面向右漂移（图8-1）。这就是著名的柯肯达尔（Kirkendall）效应，置换互溶的组元所构成的扩散偶中都有类似的情况。 扩散现象和本质 扩散现象和本质 金属晶体中的原子按一定的规律周期性地重复排列着，每个原子都处于一个低能的相对稳定的位置，在相邻的两原子之间都隔着一个能垒Q，如图8-2所示。因此，两个原子不会合并在一起，也很难相互换位。但是，原子在其平衡位置并不是静止不动的，而是无时无刻不在以其结点为中心以极高的频率进行着热振动。由于存在着能量起伏，总会有部分原子具有足够高的能量，跨越能垒Q，从原来的平衡位置跃迁到相邻的平衡位置上去。原子克服能垒所必需的能量称为激活能，它在数值上等于能垒高度Q。 扩散现象和本质 扩散现象和本质 显然，原子间的结合力越大，排列得越紧密，则能垒越高，激活能越大，原子依靠能量起伏实现跃迁换位越困难。但是，只要热力学温度不是零度，金属晶体中的原子就有热振动，依靠能量起伏，就可能有一部分原子进行扩散迁移。温度越高，原子迁移的几率则越大。 扩散现象和本质 应当指出，固态扩散是大量原子无序跃迁的统计结果。在晶体的周期势场中，原子向各个方向跃迁的几率相等，这就引不起物质传输的宏观扩散效果。如果晶体周期场的势能曲线是倾斜的（图8-3），那么原子自左向右跃迁的激活能为Q，而自右向左的激活能在数值上为Q+ΔG（图8-3c）。这样一来，原子向右跳动的几率将大于向左跳动的几率，在同一时间内，向右跳过去的原子数大于反向跳回来的原子数，大量原子无序跃迁的统计结果，就造成物质的定向传输，即发生扩散。所以，扩散不是原子的定向跃迁过程，扩散原子的这种随机跃迁过程，被称为原子的随机行走。 扩散现象和本质 扩散现象和本质 （1）空位扩散机制 在自扩散和涉及置换原子的扩散过程中，原子可离开其点阵位置，跳入邻近的空位，这样就会在原来的点阵位置产生一个新的空位。当扩散继续，就产生原子与空位两个相反的迁移流向，称为空位扩散。自扩散和置换原子的扩散程度取决于空位的数目。温度越高，空位浓度越大，金属中原子的扩散越容易。 扩 散 机 制 当间隙原子存在晶体结构中，可从一个间隙位置移动到另一个间隙位置。这种机制不需要空位。间隙原子尺寸越小，扩散越快。由于间隙位置比空位位置多，间隙扩散比空位扩散更易发生。如在奥氏体中，碳原子位于面心立方晶胞的八面体间隙中，每个晶胞的八面体间隙位置有4个。当奥氏体中的含碳量wC=2.11%时，相当于在5个晶胞中才有两个碳原子，因此在每个碳原子周围有大量空余的间隙位置任其跳动。 （一）扩散要有驱动力 扩散过程都是在扩散驱动力作用下进行的，如果没有扩散驱动力，也就不可能发生扩散。墨水向周围水中的扩散，锡向钢表面层中的扩散，其扩散过程都是沿着浓度降低的方向进行，使浓度趋于均匀化。相反，有些杂质原子向晶界的偏聚，使晶界上的杂质浓度要比晶内高几倍至几十倍，又如共析转变和过饱和固溶体的分解，扩散过程却是沿着浓度升高的方向进行。可见，浓度梯度并不是导致扩散的本质原因。 固态金属扩散的条件 从热力学来看，在等温等压条件下，不管浓度梯度如何，组元原子总是从化学位高的地方自发地迁移到化学位低的地方，以降低系统的自由能。只有当每种组元的化学位在系统中各点都相等时，才达到动态平衡，宏观上再看不到物质的转移。当浓度梯度与化学位梯度方向一致时，溶质原子就会从高浓度地区向低浓度地区迁移；相反，当浓度梯度与化学位梯度不一致时，溶质原子就会朝浓度梯度相反的方向迁移。可见，扩散的驱动力不是浓度梯度，而是化学位梯度。 固态金属扩散的条件 扩散原子在基体金属中必须有一定的固溶度，能够溶入基体晶格，形成固溶体，这样才能进行固态扩散。如果原子不能进入基体晶格，也就不能扩散。例如在水中滴一滴墨水，不久就扩散均匀了，可是如若在水中滴一滴油，放置多久也不会扩散均匀。原因就是油不溶于水。又如，由于铅不能固溶于铁，因此钢可以在铅