第六章 金属及合金扩散.ppt

扩散:物质中原子（或分子）的迁移现象，是在右浓度梯度、化学位梯度、应力梯度或其他梯度存在的条件下，借助热运动引起物质的宏观定向输送过程。 原子的微观运动会引起物质的宏观流动,气体和液体的扩散易察觉. 扩散定律 菲克第一定律 把Cu、Ni棒对焊，在焊接 面上镶嵌上钨丝作为界面 标志。加热到高温并保 温，界面标志钨丝向纯Ni 一侧移动了一段距离. 柯肯达尔效应:置换互溶组 元所构成的扩散偶中,由于 两种原子以不同速度相对 扩散,扩散通量不相等造成 标记面漂移的现象. 固态金属中原子的跃迁 金属晶体中的原子按一定规律呈周期性重复排列，每个原子都 处于周期性规律变化的结合能曲线的势能谷中，相邻原子间都 隔着一个势垒Q。 对于不同晶体结构的金属材料，原子的跳动方式不同， 故扩散机理随晶体结构的不同而变化。 原因:扩散不仅由原子的热运动所控制，还受具体的晶体 结构制约。 扩散需具备的条件:能量条件与结构条件 扩散模型(按照原子的跳动方式分) 间隙扩散机理 交换和轮换扩散机理 空位扩散机理 定义：原子在点阵间隙位置间跃迁导致的扩散。 间隙固溶体中,溶质原子从其所占间隙位置跳到邻近另一个空着的间隙位置; 置换固溶体中,溶质或溶剂原子从原来所占据的平衡位置跳到间隙位置，再跳到邻近其他间隙位置; 置换原子的两种间隙扩散模型 定义：通过扩散原子与空位交换位置来实现物质的宏观迁 移。 空位的存在，使周围邻近原子偏离平衡位置，势能升高，从 而使原子跳入空位所需跨越的势垒高度降低，相邻原子就易 于向空位跳动。温度越高，空位越多，金属中原子的扩散越 易。 原子在晶体中跃迁一次最多移动0.3-0.5nm的距离，扩散1mm的距离须跃迁亿万次。且原子跃迁的过程是随机的，所以，只有经过很长时间才能造成物质的宏观定向迁移。 上坡扩散 沿着浓度升高的方向进行的扩散，即由低浓度向高浓度 方向扩散，使浓度发生两极分化。 根据扩散过程中是否发生浓度变化分类 自扩散：不伴有浓度变化的扩散，与浓度梯度无关，只发生 在纯金属和均匀固溶体中。 例:纯金属的晶粒长大是大晶粒吞并小晶粒。晶界移动，原 子由小晶粒向大晶粒迁移，无浓度变化。 互扩散：伴有浓度变化的扩散，与异类原子的浓度差有关。 扩散过程中，异类原子相对扩散，互相渗透，故又称“异扩 散”或“化学扩散”。 影响扩散的因素 2、晶体结构 不同晶体结构具有不同扩散系数。 晶体缺陷 在金属及合金中，扩散可在晶内、外表面、晶界、相界及位错线进行。 （1）表面扩散最快，晶界次之，亚晶界又次之，晶内扩散最慢。 原因：晶界处的晶格畸变较大，能量较高，所以其扩散激活能要比晶内的小，原子易于扩散迁移；金属外表面的扩散激活能比晶界的还要小。 （2）位错、空位等缺陷处比完整晶体内部扩散容易。 原因:位错线是晶格畸变的管道，互相联通，形成网络， 晶体中扩散速度加快。 合金元素对碳在γ－Fe中扩散系数的影响: （1）形成碳化物元素，如W、Mo、Cr等，降低碳的扩散系数。 （2）不能形成稳定碳化物，但易溶于碳化物的元素，如Mn等，对碳的扩散系数影响不大。 （3）不形成碳化物而溶于固溶体中的元素，如Co、Ni、Si等，它们的影响各不相同，前两个元素提高碳的扩散系数，后一个元素则降低碳的扩散系数。 * * 第六章 金属及合金 的扩散 时间 水 高碳含量区域 低碳含量区域 碳的扩散方向 Fe-C合金 扩散现象 扩散方向是自浓度高的方向向浓度低的方向进行，直至各处浓度均匀为止. 将溶质浓度不均匀的固溶体合金棒加热到高温，则溶质原子将从浓度较高一端向浓度较低一端扩散，并沿长度方向形成浓度梯度. 如在扩散过程中各处浓度C只随距离X变化，不随时间t变化，则单位时间通过单位垂直截面的扩散流量J对于各处都相等。即：每一时刻从左边扩散来多少原子，就向右边扩散走多少原子，没有盈亏，浓度不随时间变化，这种扩散称稳定态扩散。 c1 c2 dx J (c1c2) —— 菲克第一定律 J-扩散流量，表示扩散物质流过单位截面速度； D-扩散系数,反映扩散速度的物理量,是单位浓度梯度时 的扩散流量，D值越大,扩散越快; ：组元沿着扩散方向的体积浓度梯度; 负号：表示扩散流方向与浓度梯度方向相反; 菲克第二定律 非稳定态扩散:在扩散过程中，各处的浓度梯度不仅随距 离x变化，而且随时间t变化。 固态扩散的实验(柯肯达尔效应) 原子时刻进行着热振动，振动能量与温度有关。当温度不变时，存在着能量起伏。能量起伏的存在使部分原子具有足够高的能量,跨越势垒,由原来平衡位置跃迁到相邻平衡位置。只要热力学温度不是零度，原子就有热振动，依靠能量起伏被热激活，以进行迁移。 固态扩散是大量原子无序跃迁的统计结果 原子向各个方向跃迁几率相等,则