材料科学基础-扩散.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 扩散,本章重点:,(1),扩散的概念与本质,(2)固态金属扩散的条件,(3),影响扩散的因素,扩散是物质中原子（分子）的迁移现象，是物质传输的一种方式。例如：熔炼，偏析，均匀化，氧化等过程,固态,扩散（唯一机制）,气、液 态,对流、扩散、（带电粒子迁移）,扩散定义,：物质中原子或分子通过无规运动导致宏观迁移与传质的现象。,(,移动距离超过平均原子间距,),1,扩散概述,一、扩散现象和本质,扩散通常是自浓度高的向低浓度方向进行；固体也存在扩散，但固体扩散速率十分缓慢，如,柯肯达尔效应：（置换互溶的组元）,固体金属原子扩散本质：,原子在其平衡位置进行热振动，由于能量起伏，部分原子越过能垒；当,大量原子,不断克服原子之间 能垒，跃迁到邻近位置时，即实现宏观的物质迁移过程。,阻 力：邻近原子间势能垒（激活能,Q,）,驱动力：热振动原子的能量起伏与温度有关,固态扩散是大量原子无序跃迁的统计结果,若晶体周期场的势能曲线是倾斜的，导致向右跳跃的原子数大于反向跳回的原子数，大量原子无序迁跃的统计结果，即造成了物质的定向输送,扩散,设存在纯金属,8,列原子，中间四列原子含有,4,个同位素原子，每个原子平均跃迁一次后出现的同位素原子分布情况。,二、扩散机制,扩散不仅由原子,热运动,所控制，而且还要受具体的,晶体结构,所制约；即扩散机制随晶体结构不同而变化,(,2,)间隙扩散,小原子,如：碳在奥氏体中扩散,(,1,)空位扩散,主要机制,如：自扩散，置换扩散,两种主要机制：,交换机制,环形机制,空位机制,松弛机制,简单间隙机制,推填子间隙机制,四、固态扩散的分类,通常扩散伴随浓度变化,且高浓度低浓度，但实际上：并非一定如此,例如,：纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长大,(,晶界的迁移,),扩散中无浓度,变化；,又如,：奥氏体转变为珠光体时：,奥氏体转变为渗碳体时碳,由低浓度,的奥氏体,向高浓度,的渗碳体,扩散,扩散的种类（类型）不同,自扩散,扩散中无浓度变化，即：,扩散与浓度梯度无关,。如：纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长大,互,(,异,),扩散,伴随有浓度变化的扩散，即扩散与浓度梯度有关，又称,化学扩散,；如,:,不均匀固溶体均匀化过程中异类原子的相对扩散、互相渗透过程等。,根据扩散中是否发生浓度变化分类,下坡扩散,沿浓度降低的方向扩散，即原子由高浓度区向低浓度区扩散。如：固溶体均匀化过程、渗碳等。,上坡扩散,沿浓度升高的方向扩散，即原子由低浓度区向高浓度区扩散。如,:,奥氏体转变为珠光体时，,根据扩散方向与浓度梯度方向是否相同分类,原子扩散,扩散时晶格类型不变，无新相产生,反应扩散,溶质超过固溶度，扩散中有新相产生,【,要点,】,扩散的驱动力,化学位梯度,，因多数情况下化学位梯度与浓度梯度方向一致，故看起来扩散方向似顺着浓度梯度方向。此外，温度梯度、,应力梯度,、电场梯度、磁场梯度等作用下也可发生上坡扩散。,根据扩散中是否析出新相分类,反应扩散可依据相图分析。如：,1000,下,Fe-O,相图,由外至里依次,：,Fe,2,O,3,，,Fe,3,O,4,FeO,，最后,-,Fe,反应扩散在相界面处产生浓度突变,(,极限溶解度,),；依据相律可知，二元系扩散层中,不可能存在两相区,2,扩散定律,J,：,扩散通量，(,g/cs),D,：,扩散系数(,c/s),d,C,/d,x,：,浓度梯度,x,C,C,1,C,2,d,x,J,x,x,+d,x,一、菲克第一定律,各处体积浓度,C,只随距离,x,变化,即单位时间通过垂直截面物质量,J,各处相等（稳定扩散）：,J,=-,D,d,C,/d,x,第一定律,适于稳态扩散，,如气体通过金属薄膜且不与金属发生反应时,非稳态扩散,：各处浓度随时间、距离变化，即,C,(,x,t,),或,d,C,/d,t,0;,如图，,物质积存速率,微体积,A,d,x,内物质积存速率用体积浓度,C,变化率表示：,二、扩散第二定律（菲克第二定律）,化简,：,A,将扩散第一定律代入：,适于非稳态,即,d,C,/d,t,0,扩散第二定律（菲克第二定律）表达式,:,D,为常数时,：,注意：,(1),非稳态扩散,普遍、通用的扩散方程,(2),求解难：须对具体扩散条件进行分析后，通过建立边界条件、初始条件以及,C,表达式的推测，给出特殊的解。,常见几种解参考卢光熙,金属学教程,上海科技出版社,三、扩散应用举例,铸件均匀化退火,若溶质原子沿举例,x,方向分布：,均匀化时，振幅减小，波长,不变,=0,(,x,=0),有：,即边界条件：,最大值,金属的粘结,钎焊,只钎料熔化,相互扩散形成牢固结合,若均匀化后，成分偏析振幅降低,1%,，此时：,均匀化退火的时间与枝晶间距、扩散系数关系,钎料成分向基材扩散量按扩散第一定律计算：,1100,下,Cu,钎焊铁基材时,根据相图判断钎焊组织。钎料,B,与母材,A,，,若存在化合物，,T,1,下母材向钎料中溶解，界面达,C,出现,金属化合物。,钎料,B,与母材,A,形成共晶相图，,B,在,A,中若超过溶解度极限在晶界上形成低熔点共晶体。,镀锌,洗净的钢板浸入,450,熔融锌槽若干分钟。根据相图分析镀层组织：,锌镀层由表至里为,Z,n,、,、,、,、,五个单相区，金属化合物镀层易剥落，适量加入铝减少脆性化合物的量。,采用烧结工艺提高粉末冶金制品的强度和致密度。粉末材料研制成型后，粉末微粒很多部位彼此接触，在烧结过程中原子首先通过接触面积大量扩散，使孔隙尺寸减小；同时晶粒长大，原子通过晶界扩散使大量孔隙消失；若长时间烧结可消除孔隙，是材料致密。粉末越细，扩散距离越短，烧结时间越短,粉末冶金烧结,烧结质量取决于：,压坯密度,粉体性质与粒度,烧结工艺,烧结温度、时间等,3,影响扩散的因素,(1),温度,温度是影响扩散最主要的因素。,T，,D,(,指数关系,),原因：温度升高，原子振动，能量起伏；空位数目,单位时间扩散量与扩散系数和浓度梯度有关,J,=-,D,d,C,/d,x,参数：,D,;d,C,/d,x,D,=,D,0,exp(-,Q,/,R,T),其中：,原子扩散激活能,Q,取决于原子结合能，即键能，高熔点金属扩散激活能较高。,不同晶体结构具有不同的扩散系数；,致密型 的,Q,D;,例如：,912,D,-Fe,240,D,-Fe,;,通常在奥氏体区渗碳原因：奥氏体溶碳能力远大于铁素体,;,温度高扩散系数大，有利于增大渗碳层！,原子扩散各向异性,；如,:400,密排六方,Zn,平行和垂直基面方向,D,相差,200,倍,！,二、键能和晶体结构,间隙原子的扩散激活能,Q,晶界,亚晶界,晶内；,且温度越高，其差异越小！,四、晶体缺陷,原因：,晶体缺陷！晶界,位错等扩散激活能小,有利扩散。,思考,：,冷加工与退火金属的扩散速率谁大？,五、化学成分,加入合金元素影响熔点时,若使合金熔点或液相线降低，合金元素会促进扩散系数增加。,原因,：合金元素影响基体点阵中原子间结合力，进而影响原子的扩散激活能,Q,，影响扩散激活能,D,。,合金元素对碳在,-Fe,中扩散系数影响,形成碳化物的元素,如：,W,、,Mo,、,Cr,等，阻止碳扩散。,不能形成稳定碳化物,如：,Mn,易溶解于碳化物中对碳扩散影响不大。,溶于固溶体元素,如：,Co,、,Ni,提高碳扩散系数，,Si,降低碳扩散系数。,Have a break,