扩散固体中的扩散.pptVIP

4.4.1 反应扩散的过程及特点 反应扩散时相图(a)与所对应的浓度分布(b)及相分布(c) 4.4.1 反应扩散的过程及特点 设在温度T0下，试样表面浓度为CS，由相图（a）可知，CS对应着 相。由于扩散，浓度随x增加而降低，当浓度降低到 相分解线对应的浓度 ， 相分解并产生 相，后者的浓度为 ，在相界处浓度发生突变，见图（b）。因此，在二元系的扩散区中不存在双相区，每一层都为单相区，见图（c）。 4.4.2 反应扩散的实例 1.纯铁表面氮化 纯铁在520℃氮化，会发生反应扩散。根据Fe－N相图4-9（a），利用上述反应扩散的理论来分析，氮浓度超过大约8%，即可在表面形成 相。越往里面，氮的浓度越低。与 相相邻的是 相，再往里是含氮的 固溶体。纯铁氮化后其表层氮浓度分布如图4-9（c）所示。 4.4.2 反应扩散的实例 图4-9 纯铁的表面氮化 (a) Fe-N相图 (b) 相分布 (c) 氮浓度分布 4.4.2 反应扩散的实例 2. 纯铁渗碳 若一纯铁棒在880℃渗碳，随着扩散时间的延长，铁棒表层的含碳量将不断增加，随之发生反应扩散。 若在渗碳过程中保持铁棒表面上奥氏体的碳浓度为C3，随着扩散过程的进行，碳原子不断渗入， ， 两个单相区的界面将向铁棒右端移动，相界面两边的浓度分别保持C2、C1不变，见图4-10（b）。 4.4.2 反应扩散的实例 图4-10 纯铁表面渗碳 Fe-Fe3C相图的左下角 (b) 相分布及碳浓度分布 4.5 离子晶体和共价晶体中的扩散 4.5.1 离子晶体中的扩散 在离子晶体中，扩散离子只能进入具有同种电荷的邻近位置。为此，离子必须挤过相邻结合甚强的离子，经过带相反电荷的离子区，并且要移动一较长的距离。因而，与金属晶体相比，离子晶体的扩散激活能高而扩散速率低，而且其扩散过程远比金属中要复杂。另外，阳离子的扩散系数比阴离子大，因为阳离子失去了其价电子，其尺寸一般较小，因而比具有较大尺寸的阴离子更容易扩散。例如在氯化物中，氯离子的扩散激活能大约是钠离子的两倍。 4.5 离子晶体和共价晶体中的扩散 4.5.1 离子晶体中的扩散 大多数离子晶体中的扩散是按空位机制进行的。 离子化合物中的扩散（阳离子只能进入其他阳离子位置） 4.5 离子晶体和共价晶体中的扩散 4.5.2. 共价晶体中的扩散 大多数共价晶体具有比较疏松的晶体结构，具有较大的间隙位置，但其扩散和互扩散仍以空位机制为主。然而正是方向性的键合使共价晶体的自扩散激活能通常高于熔点相近金属的激活能.例如，虽然Ag和Ge的熔点仅相差几度，但是锗自扩散的Q为290kJ/mol，而银仅为186kJ/mol。 4.7 扩散与材料加工 4.7.1 扩散与晶粒长大 高温下的晶粒长大是一个自发过程。 原子从一个晶粒穿过晶界向另外一个晶粒扩散时，即发生晶粒长大 4.7 扩散与材料加工 4.7.1 扩散与晶粒长大 晶粒长大涉及到晶界运动，当原子从一个晶粒穿过晶界向另外一个晶粒扩散时，即发生晶粒长大。因此，晶粒的长大与晶界扩散的激活能和扩散系数有关，为避免晶粒过分长大而损害性能，必须控制材料加工时的加热温度、保温时间等。 4.7 扩散与材料加工 4.7.2 钢的气体渗碳表面硬化 采用碳质量分数为0.10%-0.25%的低碳钢，先在软态下进行零件的切削加工，然后通过气体渗碳及随后的热处理使表面得到硬化。图4-13示出了一些典型的钢制渗碳零件，图中从左到右分别为齿轮轴、齿轮、齿轮和圆弧齿轮。 4.7 扩散与材料加工 4.7.2 钢的气体渗碳表面硬化 图4-13 典型的钢制渗碳零件 4.7 扩散与材料加工 4.7.2 钢的气体渗碳表面硬化 进行气体渗碳时，零件放在温度约为930℃的炉中，炉中通以富CO的气体（例如甲烷（CH4）或其它碳氢化合物类气体）。来自炉气中的碳扩散进入零件的表面，使表层的碳含量增加。图4-14为含0.22%碳的碳钢试棒在918℃进行气体渗碳不同时间后的碳浓度分布 。 4.7 扩散与材料加工 4.7.2 钢的气体渗碳表面硬化 图4-14 含0.22%碳的钢试棒在918℃进行气体渗碳不同时间后的碳浓度分布 4.7 扩散与材料加工 4.7.3 硅晶片的掺杂扩散 将杂质扩散入硅晶片以改变其导电特性是生产集成电路的一个重要环节。方法是将硅晶片放在温度约为1100℃的石英炉中，并使其表面暴露在适当杂质蒸气中，与钢制零件的气体渗碳一样，扩散进入硅表面的杂质浓度随着离表面