扩散激活能.ppt

菲克第一定律菲克第一定律菲克第一定律菲克第一定律菲克第二定律菲克第二定律菲克第二定律菲克第二定律表象理论表象理论表象理论表象理论热力学分析热力学分析热力学分析热力学分析扩散系数热力学因子1.问题：扩散机制主要有哪几种？问题：扩散机制主要有哪几种？问题：扩散机制主要有哪几种？问题：扩散机制主要有哪几种？间隙机制间隙机制(a)(a)从一个间隙到从一个间隙到近邻另一个间隙近邻另一个间隙(a)(a)(b)(b)空位机理空位机理空位机理空位机理 (b)(b)(b)(b)间隙原子把相邻间隙原子把相邻间隙原子把相邻间隙原子把相邻的一个原子挤入相的一个原子挤入相的一个原子挤入相的一个原子挤入相邻的间隙邻的间隙邻的间隙邻的间隙换位机制换位机制换位机制换位机制(e)(e)(e)(e)直接换位直接换位直接换位直接换位 (e)(e)(f)(f)(f)(f)回旋换位回旋换位回旋换位回旋换位 (f)(f)2.问题：为什么直接换位机制不是扩散的主要机制？问题：为什么直接换位机制不是扩散的主要机制？问题：为什么直接换位机制不是扩散的主要机制？问题：为什么直接换位机制不是扩散的主要机制？答答答答：由由由由于于于于原原原原子子子子近近近近似似似似刚刚刚刚性性性性球球球球体体体体，所所所所以以以以两两两两原原原原子子子子对对对对换换换换位位位位置置置置时时时时，它它它它们们们们近近近近邻邻邻邻的的的的原原原原子子子子必必必必须须须须后后后后退退退退，以以以以让让让让出出出出适适适适当当当当的的的的空空空空间间间间。当当当当对对对对调调调调完完完完毕毕毕毕后后后后，这这这这些些些些原原原原子子子子或或或或多多多多或或或或少少少少地地地地恢恢恢恢复复复复到到到到原原原原来来来来的的的的位位位位置置置置。这这这这样样样样的的的的过过过过程程程程势势势势必必必必使使使使交交交交换换换换原原原原子子子子对对对对附附附附近近近近的的的的晶晶晶晶格格格格产产产产生生生生强强强强烈烈烈烈的的的的畸畸畸畸变变变变，这这这这对对对对直直直直接接接接换换换换位位位位机机机机制制制制来来来来说说说说是是是是不不不不利利利利的的的的。因因因因此此此此，这这这这种种种种扩散机制实际上是不大可能实现的。扩散机制实际上是不大可能实现的。扩散机制实际上是不大可能实现的。扩散机制实际上是不大可能实现的。3.（3 3）原子跳动与扩散距离）原子跳动与扩散距离）原子跳动与扩散距离）原子跳动与扩散距离 RnABr1r2r3rirn 菲克第一定律和菲克第二定律及菲克第一定律和菲克第二定律及其在各种条件下的解反映了原子扩散其在各种条件下的解反映了原子扩散的宏观规律。的宏观规律。宏观扩散现象是微观中宏观扩散现象是微观中大量原子的无规则跳动的统计结果大量原子的无规则跳动的统计结果。由扩散第二定律导出的扩散距离由扩散第二定律导出的扩散距离与时间的抛物线规律揭示出：晶体中与时间的抛物线规律揭示出：晶体中原子在跳跃时并不是沿直线迁移，而是折线的随机跳动。原子在跳跃时并不是沿直线迁移，而是折线的随机跳动。在晶体中选定一个原子，在一段时间内，这个原子差不多在晶体中选定一个原子，在一段时间内，这个原子差不多都在自己的位置上振动着，只有当它的能量足够高时，才能跳都在自己的位置上振动着，只有当它的能量足够高时，才能跳到，从一个位置跳向相邻的下一个位置。到，从一个位置跳向相邻的下一个位置。4.一个原子从某点开始作随机行走，第一个原子从某点开始作随机行走，第一个原子从某点开始作随机行走，第一个原子从某点开始作随机行走，第i i i i次行走以次行走以次行走以次行走以r r r ri i i i表示，经表示，经表示，经表示，经n n n n步步步步后，它的最终位置以后，它的最终位置以后，它的最终位置以后，它的最终位置以R R R Rn n n n表示，即：表示，即：表示，即：表示，即：当走的步数当走的步数当走的步数当走的步数n n n n很大，可以用统计的方法求走过的平均距离。很大，可以用统计的方法求走过的平均距离。很大，可以用统计的方法求走过的平均距离。很大，可以用统计的方法求走过的平均距离。i i i i,i+ji+ji+ji+j是是是是r r r ri i i i和和和和r r r ri+ji+ji+ji+j之间的夹角。设可能跳动的方向是等几率的，跳之间的夹角。设可能跳动的方向是等几率的，跳之间的夹角。设可能跳动的方向是等几率的，跳之间的夹角。设可能跳动的方向是等几率的，跳动距离相等。以动距离相等。以动距离相等。以动距离相等。以r r r r表示每次跳动距离表示每次跳动距离表示每次跳动距离表示每次跳动距离 5.大量原子，每一个都经过大量原子，每一个都经过大量原子，每一个都经过大量原子，每一个都经过n n n n次跳动，则原子跳动距离的平均值：次跳动，则原子跳动距离的平均值：次跳动，则原子跳动距离的平均值：次跳动，则原子跳动距离的平均值：原子跳动的各方向都是等几率的，任一个的正负值出现的几率是原子跳动的各方向都是等几率的，任一个的正负值出现的几率是原子跳动的各方向都是等几率的，任一个的正负值出现的几率是原子跳动的各方向都是等几率的，任一个的正负值出现的几率是相等的。所以，上式中的余弦平均值为零，得相等的。所以，上式中的余弦平均值为零，得相等的。所以，上式中的余弦平均值为零，得相等的。所以，上式中的余弦平均值为零，得原子的平均迁移值与跳跃次数的平方根成正比。原子的平均迁移值与跳跃次数的平方根成正比。原子的平均迁移值与跳跃次数的平方根成正比。原子的平均迁移值与跳跃次数的平方根成正比。因为因为因为因为n n=t t原子的扩散距离与扩散时间的平方根成正比。原子的扩散距离与扩散时间的平方根成正比。原子的扩散距离与扩散时间的平方根成正比。原子的扩散距离与扩散时间的平方根成正比。6.例如，在某一温度下例如，在某一温度下例如，在某一温度下例如，在某一温度下 =10=10=10=1010101010s s s s 1 1 1 1，经，经，经，经1h1h1h1h扩散后，原子真实迁移距离扩散后，原子真实迁移距离扩散后，原子真实迁移距离扩散后，原子真实迁移距离是宏观扩散距离的是宏观扩散距离的是宏观扩散距离的是宏观扩散距离的 倍，即宏观扩散距离倍，即宏观扩散距离倍，即宏观扩散距离倍，即宏观扩散距离1mm1mm1mm1mm，而每个原子平均迁移的总距离为几公里。而每个原子平均迁移的总距离为几公里。而每个原子平均迁移的总距离为几公里。而每个原子平均迁移的总距离为几公里。把扩散系数和无规行走联系起来把扩散系数和无规行走联系起来把扩散系数和无规行走联系起来把扩散系数和无规行走联系起来将将将将 中的跳跃频率中的跳跃频率中的跳跃频率中的跳跃频率代入代入代入代入 ，则，则，则，则式中，式中，式中，式中，r r r r是原子的跳动距离，是原子的跳动距离，是原子的跳动距离，是原子的跳动距离，d d d d是与扩散方向垂直的相邻平行晶是与扩散方向垂直的相邻平行晶是与扩散方向垂直的相邻平行晶是与扩散方向垂直的相邻平行晶面之间的距离，也就是面之间的距离，也就是面之间的距离，也就是面之间的距离，也就是r r r r在扩散方向上的投影值。在扩散方向上的投影值。在扩散方向上的投影值。在扩散方向上的投影值。是取决于晶体结构的几何因子。是取决于晶体结构的几何因子。是取决于晶体结构的几何因子。是取决于晶体结构的几何因子。上式表明，由微观理论导出的原子扩散距离与时间的关系与宏上式表明，由微观理论导出的原子扩散距离与时间的关系与宏上式表明，由微观理论导出的原子扩散距离与时间的关系与宏上式表明，由微观理论导出的原子扩散距离与时间的关系与宏观理论得到的公式完全一样（见扩散的抛物线规律）。观理论得到的公式完全一样（见扩散的抛物线规律）。观理论得到的公式完全一样（见扩散的抛物线规律）。观理论得到的公式完全一样（见扩散的抛物线规律）。7.宏观的扩散流是由大量的原子无数次微观跳宏观的扩散流是由大量的原子无数次微观跳宏观的扩散流是由大量的原子无数次微观跳宏观的扩散流是由大量的原子无数次微观跳动组合而成的，微观粒子的布朗运动可作为我们动组合而成的，微观粒子的布朗运动可作为我们动组合而成的，微观粒子的布朗运动可作为我们动组合而成的，微观粒子的布朗运动可作为我们对这种跳动图象描述的借鉴。虽然在晶体中原子对这种跳动图象描述的借鉴。虽然在晶体中原子对这种跳动图象描述的借鉴。虽然在晶体中原子对这种跳动图象描述的借鉴。虽然在晶体中原子的跳动和布朗运动相似，但也有一定区别，那就的跳动和布朗运动相似，但也有一定区别，那就的跳动和布朗运动相似，但也有一定区别，那就的跳动和布朗运动相似，但也有一定区别，那就是原子跳动并不是完全无规随机的。是原子跳动并不是完全无规随机的。是原子跳动并不是完全无规随机的。是原子跳动并不是完全无规随机的。8.扩扩扩扩散散散散激激激激活活活活能能能能：原原原原子子子子跃跃跃跃迁迁迁迁时时时时所所所所需需需需克克克克服服服服周周周周围围围围原原原原子子子子对对对对其其其其束束束束缚缚缚缚的的的的势势势势垒。一般以垒。一般以垒。一般以垒。一般以QQ表示表示表示表示 。4.4 4.4 扩散激活能扩散激活能间隙扩散扩散激活能与间隙扩散扩散激活能与扩散系数的关系扩散系数的关系空位扩散激活能与空位扩散激活能与扩散系数的关系扩散系数的关系9.lnDlnD01/Tk=-Q/R扩散系数与温度的关系扩散系数与温度的关系10.解：解：（1 1）例题：在例题：在例题：在例题：在773K773K所做的扩散实验指出，在所做的扩散实验指出，在所做的扩散实验指出，在所做的扩散实验指出，在10101010个原子中有一个个原子中有一个个原子中有一个个原子中有一个原子具有足够的激活能跳出其点阵位置而进入间隙位置，在原子具有足够的激活能跳出其点阵位置而进入间隙位置，在原子具有足够的激活能跳出其点阵位置而进入间隙位置，在原子具有足够的激活能跳出其点阵位置而进入间隙位置，在873K873K此比例会增加到此比例会增加到此比例会增加到此比例会增加到1010-9-9。（1 1）求此跳跃所需要的激活能；）求此跳跃所需要的激活能；）求此跳跃所需要的激活能；）求此跳跃所需要的激活能；（2 2）973K973K具有足够能量的原子所占的比例是多少？具有足够能量的原子所占的比例是多少？具有足够能量的原子所占的比例是多少？具有足够能量的原子所占的比例是多少？解：解：（1 1）11.讨论：玻尔兹曼以统计学的方法，解决了能量超讨论：玻尔兹曼以统计学的方法，解决了能量超讨论：玻尔兹曼以统计学的方法，解决了能量超讨论：玻尔兹曼以统计学的方法，解决了能量超过过过过E E值的原子所占比例为温度的指数函数。值的原子所占比例为温度的指数函数。值的原子所占比例为温度的指数函数。值的原子所占比例为温度的指数函数。12.扩散是一个基本的动力学过程，对材料制备、加扩散是一个基本的动力学过程，对材料制备、加工中的性能变化及显微结构形成以及材料使用过程中工中的性能变化及显微结构形成以及材料使用过程中性能衰减起着决定性的作用，对相应过程的控制，往性能衰减起着决定性的作用，对相应过程的控制，往往从影响扩散速度的因素入手来控制，因此，掌握影往从影响扩散速度的因素入手来控制，因此，掌握影响扩散的因素对深入理解扩散理论以及应用扩散理论响扩散的因素对深入理解扩散理论以及应用扩散理论解决实际问题具有重要意义。解决实际问题具有重要意义。4.5 4.5 影响扩散的因素影响扩散的因素13.扩散系数是决定扩散速度的重要参量。讨论影响扩散系数是决定扩散速度的重要参量。讨论影响扩散系数是决定扩散速度的重要参量。讨论影响扩散系数是决定扩散速度的重要参量。讨论影响扩散系数因素的基础常基于下式扩散系数因素的基础常基于下式扩散系数因素的基础常基于下式扩散系数因素的基础常基于下式 从数学关系上看，扩散系数主要决定于温度，显从数学关系上看，扩散系数主要决定于温度，显于函数关系中，其他一些因素则隐含于于函数关系中，其他一些因素则隐含于D0和和Q 中。这中。这些因素可分为外在因素和内在因素两大类。些因素可分为外在因素和内在因素两大类。14.无无无无论论论论是是是是间间间间隙隙隙隙机机机机制制制制，还还还还是是是是空空空空位位位位机机机机制制制制，都都都都遵遵遵遵循循循循热热热热激激激激活活活活规规规规律律律律，温温温温度度度度提提提提高高高高，能能能能超超超超过过过过能能能能垒垒垒垒的的的的几几几几率率率率越越越越大大大大，同同同同时时时时晶晶晶晶体体体体的的的的平平平平衡衡衡衡空空空空位位位位浓浓浓浓度度度度也也也也越高，这些都是提高扩散系数的原因。扩散系数与温度越高，这些都是提高扩散系数的原因。扩散系数与温度越高，这些都是提高扩散系数的原因。扩散系数与温度越高，这些都是提高扩散系数的原因。扩散系数与温度T T T T成指数成指数成指数成指数扩散系数与扩散系数与T T的对数坐标的对数坐标 图中斜率图中斜率tg=Q/Rtg=Q/R（1 1）温度）温度）温度）温度 关关系系。对对固固体体中中扩扩散散型型相相变变、晶晶粒粒长长大大，化化学学热热处处理理有有重重要要影影响响。例例如如：工工业业渗渗碳碳：10271027比比927927时时，D D增增加加三三倍倍，即即渗渗碳碳速速度度加加快三倍。快三倍。15.扩散系数与温度的关系1000/T扩散系数扩散系数D(m2/s)16.n n扩散介质结构越紧密，扩散越困难，反之亦然。扩散介质结构越紧密，扩散越困难，反之亦然。扩散介质结构越紧密，扩散越困难，反之亦然。扩散介质结构越紧密，扩散越困难，反之亦然。例如在一定温度下，锌在具有体心立方点阵结构例如在一定温度下，锌在具有体心立方点阵结构例如在一定温度下，锌在具有体心立方点阵结构例如在一定温度下，锌在具有体心立方点阵结构(单位晶单位晶单位晶单位晶胞中含胞中含胞中含胞中含2 2 2 2个原子个原子个原子个原子)的的的的-黄铜中的扩散系数大于具有在面心黄铜中的扩散系数大于具有在面心黄铜中的扩散系数大于具有在面心黄铜中的扩散系数大于具有在面心立方点阵结构立方点阵结构立方点阵结构立方点阵结构(单位晶胞中含单位晶胞中含单位晶胞中含单位晶胞中含4 4 4 4个原子个原子个原子个原子)时时时时-黄铜中的扩黄铜中的扩黄铜中的扩黄铜中的扩散系数。散系数。散系数。散系数。（2 2）扩散介质结构的影响）扩散介质结构的影响）扩散介质结构的影响）扩散介质结构的影响n n对于形成固溶体系统，则固溶体结构类型对扩散有着显对于形成固溶体系统，则固溶体结构类型对扩散有着显对于形成固溶体系统，则固溶体结构类型对扩散有着显对于形成固溶体系统，则固溶体结构类型对扩散有着显著影响。著影响。著影响。著影响。例如，间隙型固溶体比置换型容易扩散。17.n n同素异晶转变的金属中，同素异晶转变的金属中，同素异晶转变的金属中，同素异晶转变的金属中，DD随晶体结构改变。随晶体结构改变。随晶体结构改变。随晶体结构改变。例如：例如：910时，时，D-Fe/D-Fe=280，-Fe致密度低，致密度低，且易形成空位。且易形成空位。-Fe具有最密排的点阵结构，致密具有最密排的点阵结构，致密度高，其中铁原子的自扩散激活能大，扩散系数小，度高，其中铁原子的自扩散激活能大，扩散系数小，从而使其热强性好。故具有从而使其热强性好。故具有型晶体结构的奥氏体钢型晶体结构的奥氏体钢可作为高温用钢。可作为高温用钢。18.n n晶体各向异性使晶体各向异性使晶体各向异性使晶体各向异性使D D有各向异性。有各向异性。有各向异性。有各向异性。例如：铋扩散的各向异例如：铋扩散的各向异性，菱方系性，菱方系Bi沿沿C轴的轴的自扩散为垂直自扩散为垂直C轴方向轴方向的的1/106；六方系的；六方系的Zn：平行于底面的自扩散：平行于底面的自扩散系数大于垂直底面的，系数大于垂直底面的，因底面原子排列紧密，因底面原子排列紧密，穿过底面困难。穿过底面困难。19.一般说来，扩散相与扩散介质性质差异越大，扩散系一般说来，扩散相与扩散介质性质差异越大，扩散系一般说来，扩散相与扩散介质性质差异越大，扩散系一般说来，扩散相与扩散介质性质差异越大，扩散系数也越大。差别指原子半径、熔点、固溶度等。这是因为数也越大。差别指原子半径、熔点、固溶度等。这是因为数也越大。差别指原子半径、熔点、固溶度等。这是因为数也越大。差别指原子半径、熔点、固溶度等。这是因为当扩散介质原子附近的应力场发生畸变时，就较易形成空当扩散介质原子附近的应力场发生畸变时，就较易形成空当扩散介质原子附近的应力场发生畸变时，就较易形成空当扩散介质原子附近的应力场发生畸变时，就较易形成空位和降低扩散活化能而有利于扩散。故扩散原子与介质原位和降低扩散活化能而有利于扩散。故扩散原子与介质原位和降低扩散活化能而有利于扩散。故扩散原子与介质原位和降低扩散活化能而有利于扩散。故扩散原子与介质原子间性质差异越大，引起应力场的畸变也愈烈，扩散系数子间性质差异越大，引起应力场的畸变也愈烈，扩散系数子间性质差异越大，引起应力场的畸变也愈烈，扩散系数子间性质差异越大，引起应力场的畸变也愈烈，扩散系数也就愈大。也就愈大。也就愈大。也就愈大。（3 3）扩散相与扩散介质的性质差异）扩散相与扩散介质的性质差异）扩散相与扩散介质的性质差异）扩散相与扩散介质的性质差异20.若干金属在铅中的扩散系数21.实验表明，在金属材料和离子晶体中，原子或离实验表明，在金属材料和离子晶体中，原子或离实验表明，在金属材料和离子晶体中，原子或离实验表明，在金属材料和离子晶体中，原子或离子在晶界上扩散远比在晶粒内部扩散来得快。沿面缺子在晶界上扩散远比在晶粒内部扩散来得快。沿面缺子在晶界上扩散远比在晶粒内部扩散来得快。沿面缺子在晶界上扩散远比在晶粒内部扩散来得快。沿面缺陷的扩散（界面、晶界），原子规则排列受破坏，产陷的扩散（界面、晶界），原子规则排列受破坏，产陷的扩散（界面、晶界），原子规则排列受破坏，产陷的扩散（界面、晶界），原子规则排列受破坏，产生畸变，能量高，所需扩散激活能低。生畸变，能量高，所需扩散激活能低。生畸变，能量高，所需扩散激活能低。生畸变，能量高，所需扩散激活能低。某些氧化物晶体材料的晶界对离子的扩散有选某些氧化物晶体材料的晶界对离子的扩散有选某些氧化物晶体材料的晶界对离子的扩散有选某些氧化物晶体材料的晶界对离子的扩散有选择性的增加作用，例如在择性的增加作用，例如在择性的增加作用，例如在择性的增加作用，例如在FeFe2 2OO3 3、CoOCoO、SrTiOSrTiO3 3，材，材，材，材料中晶界或位错有增加料中晶界或位错有增加料中晶界或位错有增加料中晶界或位错有增加OO2-2-离子的扩散作用，而在离子的扩散作用，而在离子的扩散作用，而在离子的扩散作用，而在BeOBeO、UOUO2 2、CuCu2 2OO和和和和(Zr(Zr，Ca)OCa)O2 2等材料中则无此效等材料中则无此效等材料中则无此效等材料中则无此效应。应。应。应。（4 4）结构缺陷的影响）结构缺陷的影响）结构缺陷的影响）结构缺陷的影响22.低低低低温温温温下下下下明明明明显显显显，高高高高温温温温下下下下空空空空位位位位浓浓浓浓度度度度多多多多，晶晶晶晶界界界界扩扩扩扩散散散散被被被被晶晶晶晶内扩散掩盖。内扩散掩盖。内扩散掩盖。内扩散掩盖。23.晶粒尺寸小，晶界多，晶粒尺寸小，晶界多，晶粒尺寸小，晶界多，晶粒尺寸小，晶界多，D D明显增加。明显增加。明显增加。明显增加。24.n 点缺陷：主要影响扩散的空位浓度。点缺陷：主要影响扩散的空位浓度。n 线线缺缺陷陷：线线缺缺陷陷主主要要形形式式是是位位错错，位位错错线线附附近近的的溶溶质质原原子子的的浓浓度度高高于于平平均均值值；位位错错象象一一根根管管道道，沿沿位位错错扩扩散散激激活活能能很很低低，D可可以以很很高高，原原子子在在位位错错中中沿沿位位错错线线的的管管道道扩扩散散比比晶晶体体中中的的扩扩散散快快。但但位位错错截截面面积积总总分分数数很很少少，只只在在低低温温时时明明显显，如如低低温温时时过过饱饱和和固固溶溶体体分分解时沉淀相在位错形核。解时沉淀相在位错形核。冷变形，增加界面及位错，促进扩散。冷变形，增加界面及位错，促进扩散。n 面面缺缺陷陷：本本身身所所处处于于较较高高的的能能量量状状态态，相相应应扩扩散散激激活能也就较低。活能也就较低。25.Ag的自扩散系数Db，晶界扩散系数Dg和表面扩散系数Ds0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 3.0DsDgDg26.27.（5 5）材料的成分）材料的成分）材料的成分）材料的成分 原原子子之之间间的的结结合合键键力力越越强强，通通常常对对应应材材料料的的熔熔点点也也越越高高，激激活活能能较较大大，扩扩散散系系数数较较小小。材材料料的的成成分分不不同同，即即组组成成材材料料的的元元素素和和比比例例不不同同，不不同同原原子子之之间间结结合合键键能能不不一一样样，成成分分的的变变化化也也影影响响不不同同类类型型结结合合键键的的相相对对数数量量，所所以以材材料料的的成成分分变变化化带带来来的影响有：的影响有：n 结合键能不同，影响到激活能进而影响扩散系数；结合键能不同，影响到激活能进而影响扩散系数；n 结结合合键键能能的的不不同同，一一种种元元素素的的数数量量(成成分分比比例例)可可能能改改变变自自己己或其他元素的化学位，从而影响扩散的速度，甚至方向；或其他元素的化学位，从而影响扩散的速度，甚至方向；n 空空位位扩扩散散(置置换换原原子子)通通量量决决定定于于互互扩扩散散系系数数，互互扩扩散散系系数数本本身就是各组元成分的函数。身就是各组元成分的函数。28.如碳在如碳在如碳在如碳在-Fe-Fe-Fe-Fe中扩散系数跟碳与合金元素亲和力有关。中扩散系数跟碳与合金元素亲和力有关。中扩散系数跟碳与合金元素亲和力有关。中扩散系数跟碳与合金元素亲和力有关。（6 6）第三元素（或杂质）影响）第三元素（或杂质）影响）第三元素（或杂质）影响）第三元素（或杂质）影响n n 形形形形成成成成碳碳碳碳化化化化物物物物元元元元素素素素，如如如如WW、MoMo、CrCr等等等等，降降降降低低低低碳碳碳碳的的的的扩扩扩扩散散散散系数；系数；系数；系数；n n 形形形形成成成成不不不不稳稳稳稳定定定定碳碳碳碳化化化化物物物物，如如如如MnMn，对碳的扩散影响不大；，对碳的扩散影响不大；，对碳的扩散影响不大；，对碳的扩散影响不大；n n 不不不不形形形形成成成成碳碳碳碳化化化化物物物物元元元元素素素素，影影影影响响响响不不不不一一一一，如如如如CoCo、NiNi可可可可提提提提高高高高C C的的的的扩散，而扩散，而扩散，而扩散，而SiSi则降低碳的扩散。则降低碳的扩散。则降低碳的扩散。则降低碳的扩散。29.利用杂质对扩散的影响是人们改善扩散的主要途利用杂质对扩散的影响是人们改善扩散的主要途利用杂质对扩散的影响是人们改善扩散的主要途利用杂质对扩散的影响是人们改善扩散的主要途径。一般而言，高价阳离子的引入可造成晶格中出现径。一般而言，高价阳离子的引入可造成晶格中出现径。一般而言，高价阳离子的引入可造成晶格中出现径。一般而言，高价阳离子的引入可造成晶格中出现阳离子空位和造成晶格畸变，从而使阳离子扩散系数阳离子空位和造成晶格畸变，从而使阳离子扩散系数阳离子空位和造成晶格畸变，从而使阳离子扩散系数阳离子空位和造成晶格畸变，从而使阳离子扩散系数增大。且当杂质含量增加，非本征扩散与本征扩散温增大。且当杂质含量增加，非本征扩散与本征扩散温增大。且当杂质含量增加，非本征扩散与本征扩散温增大。且当杂质含量增加，非本征扩散与本征扩散温度转折点升高。度转折点升高。度转折点升高。度转折点升高。反之，若杂质原子与结构中部分空位发生缔合，反之，若杂质原子与结构中部分空位发生缔合，反之，若杂质原子与结构中部分空位发生缔合，反之，若杂质原子与结构中部分空位发生缔合，往往会使结构中总空位增加而有利于扩散。往往会使结构中总空位增加而有利于扩散。往往会使结构中总空位增加而有利于扩散。往往会使结构中总空位增加而有利于扩散。30.某些第三组元的加入不仅影响扩散速率而且影响扩散某些第三组元的加入不仅影响扩散速率而且影响扩散方向。由碳钢和硅钢组成的扩散偶，在初始状态，他们各方向。由碳钢和硅钢组成的扩散偶，在初始状态，他们各自所含的碳没有浓度梯度，而且两者的碳浓度相同。在自所含的碳没有浓度梯度，而且两者的碳浓度相同。在1050扩散后，形成了浓度梯度。这是由于在扩散后，形成了浓度梯度。这是由于在Fe-C合金中合金中加入的加入的Si使碳的化学势升高，以致使碳向不含使碳的化学势升高，以致使碳向不含Si的钢中扩的钢中扩散，导致了上坡扩散。散，导致了上坡扩散。31.溶质扩散系数随浓度增加而增大。溶质扩散系数随浓度增加而增大。溶质扩散系数随浓度增加而增大。溶质扩散系数随浓度增加而增大。（7 7）扩散元素浓度）扩散元素浓度）扩散元素浓度）扩散元素浓度32.相相相相图图图图成成成成分分分分与与与与扩扩扩扩散散散散系系系系数数数数的的的的关关关关系系系系，溶溶溶溶质质质质元元元元素素素素使使使使合合合合金金金金熔点降低，熔点降低，熔点降低，熔点降低，D D D D增加，反之，增加，反之，增加，反之，增加，反之，D D D D降低。降低。降低。降低。33.（8 8）其他因素）其他因素）其他因素）其他因素 n 弹弹性性应应力力场场：可可以以加加速速尺尺寸寸大大的的原原子子向向拉拉应应力力大大处处扩扩散散，同同样样加加速速尺尺寸寸小小的的原原子子向向压压应应力力大大处处扩扩散散，这这种种扩扩散散可可以以松松弛弛应应力力，但但也也能能把把原原来来的的弹弹性性应应变变部部分分的的转转化化为为不不可可恢恢复复的的永永久久变变形形(塑塑性性变变形形)，这这种种在在应应力力作作用用下下的的扩扩散散过过程程也也是是材材料料以以蠕蠕变变方方式式发发生生塑塑性性变变形的基本机制。形的基本机制。n其其他他任任何何对对粒粒子子运运动动的的力力也也都都可可能能影影响响扩扩散散，如如电电磁场对带电粒子的扩散。磁场对带电粒子的扩散。影响程度：温度成分结构其它影响程度：温度成分结构其它34.n n由扩散造成的浓度分布及由合金系统决定的不同相所由扩散造成的浓度分布及由合金系统决定的不同相所由扩散造成的浓度分布及由合金系统决定的不同相所由扩散造成的浓度分布及由合金系统决定的不同相所对应的固溶度势必在扩散过程中产生中间相。这种通对应的固溶度势必在扩散过程中产生中间相。这种通对应的固溶度势必在扩散过程中产生中间相。这种通对应的固溶度势必在扩散过程中产生中间相。这种通过扩散而形成新相的现象称为过扩散而形成新相的现象称为过扩散而形成新相的现象称为过扩散而形成新相的现象称为多相扩散多相扩散多相扩散多相扩散，也称为，也称为，也称为，也称为相变相变相变相变扩散扩散扩散扩散或或或或反应扩散反应扩散反应扩散反应扩散。4.6 4.6 反应扩散反应扩散n n反应扩散包括两个过反应扩散包括两个过反应扩散包括两个过反应扩散包括两个过程：一是程：一是程：一是程：一是扩散过程扩散过程扩散过程扩散过程；一是界面上达到一定一是界面上达到一定一是界面上达到一定一是界面上达到一定浓度即发生相变的浓度即发生相变的浓度即发生相变的浓度即发生相变的反反反反应过程应过程应过程应过程。35.36.随着扩散时间的延长，铁棒表层的含碳量将不断增加，随之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。发生反应扩散。C1是是880时铁素体的饱和浓度，时铁素体的饱和浓度，C2和和C3是是奥氏体的最低浓度和饱和浓度。若在渗碳过程中保持试样表奥氏体的最低浓度和饱和浓度。若在渗碳过程中保持试样表面的碳浓度为面的碳浓度为C3，随着扩散过程的进行，碳原子不断渗入，随着扩散过程的进行，碳原子不断渗入，、两相的界面将向右移动，相界面两边的浓度分别保持两相的界面将向右移动，相界面两边的浓度分别保持C2和和C1不变。不变。实例实例实例实例1 1 880880纯铁渗碳纯铁渗碳纯铁渗碳纯铁渗碳37.实例实例实例实例2 522 520 0纯铁渗氮纯铁渗氮纯铁渗氮纯铁渗氮相相:Fe3N结构：结构：HCP相相:Fe4N结构：结构：FCC相相结构：结构：BCC（a）Fe-N相图相图 （b）相分布）相分布 （c）氮浓度分布）氮浓度分布38.在二元合金经反应扩散的渗层组织中不存在在二元合金经反应扩散的渗层组织中不存在两相两相混合区混合区，而且在相界面上的浓度是突变的，它对应于，而且在相界面上的浓度是突变的，它对应于该相在一定温度下的极限溶解度。不存在两相混合区该相在一定温度下的极限溶解度。不存在两相混合区的原因可用相的热力学平衡条件来解释：如果渗层组的原因可用相的热力学平衡条件来解释：如果渗层组织中出现两相共存区，则两平衡相的化学势织中出现两相共存区，则两平衡相的化学势 必然必然相等，即化学势梯度相等，即化学势梯度 ，这段区域内就没有，这段区域内就没有扩散驱动力，扩散不能进行。同理，三元系中渗层的扩散驱动力，扩散不能进行。同理，三元系中渗层的各部分都不能出现三相共存区，但可以有两相区。各部分都不能出现三相共存区，但可以有两相区。39.反应扩散动力学反应扩散动力学 n n反应扩散动力学主要研究：反应扩散速度（相界面反应扩散动力学主要研究：反应扩散速度（相界面反应扩散动力学主要研究：反应扩散速度（相界面反应扩散动力学主要研究：反应扩散速度（相界面移动速度）、扩散过程中相宽度的变化规律以及新移动速度）、扩散过程中相宽度的变化规律以及新移动速度）、扩散过程中相宽度的变化规律以及新移动速度）、扩散过程中相宽度的变化规律以及新相出现的规律。相出现的规律。相出现的规律。相出现的规律。（1 1）相界面的移动速度）相界面的移动速度）相界面的移动速度）相界面的移动速度 设经设经dt时间，时间，相与相与相的相的界面由界面由x移至移至xdx，又设试样，又设试样垂直于扩散方向的截面积为垂直于扩散方向的截面积为1，则阴影区溶质质量的增加为则阴影区溶质质量的增加为 ：40.由上式解出相界面移动速度由上式解出相界面移动速度利用变量代换利用变量代换 ，得，得41.式中，k是与浓度有关的系数。将上式进行积分，得相界面位置与时间的关系 以上三式中，a、b、c是与相与相的扩散系数以及两相在界面处的平衡浓度有关的系数。如果相界面移动受扩散过程控制，则相界面移动距如果相界面移动受扩散过程控制，则相界面移动距如果相界面移动受扩散过程控制，则相界面移动距如果相界面移动受扩散过程控制，则相界面移动距离随时间的变化满足抛物线规律。新相形成时，开始长离随时间的变化满足抛物线规律。新相形成时，开始长离随时间的变化满足抛物线规律。新相形成时，开始长离随时间的变化满足抛物线规律。新相形成时，开始长大块，然后长大速度逐渐变缓。大块，然后长大速度逐渐变缓。大块，然后长大速度逐渐变缓。大块，然后长大速度逐渐变缓。42.（2 2）相宽变化规律）相宽变化规律）相宽变化规律）相宽变化规律 在实际的渗层组织中，能否出现平衡相图在反应扩散温度在实际的渗层组织中，能否出现平衡相图在反应扩散温度在实际的渗层组织中，能否出现平衡相图在反应扩散温度在实际的渗层组织中，能否出现平衡相图在反应扩散温度下的所有合金相，这取决于很多因素，主要包括热力学和动力下的所有合金相，这取决于很多因素，主要包括热力学和动力下的所有合金相，这取决于很多因素，主要包括热力学和动力下的所有合金相，这取决于很多因素，主要包括热力学和动力学两个方面的因素。学两个方面的因素。学两个方面的因素。学两个方面的因素。其中，其中，其中，其中，w w 为为为为 相区的宽度，相区的宽度，相区的宽度，相区的宽度，B B 称为反应扩散的速率常数。称为反应扩散的速率常数。称为反应扩散的速率常数。称为反应扩散的速率常数。由表面向里依次形成的相为由表面向里依次形成的相为由表面向里依次形成的相为由表面向里依次形成的相为、相。若位于中间位置的相。若位于中间位置的相。若位于中间位置的相。若位于中间位置的 相在时相在时相在时相在时间为间为间为间为t t时，向两侧移动的距离分别时，向两侧移动的距离分别时，向两侧移动的距离分别时，向两侧移动的距离分别为为为为x x/,x,x/，则，则，则，则 相的宽度相的宽度相的宽度相的宽度43.（3 3）新相出现的规律）新相出现的规律）新相出现的规律）新相出现的规律 新相出现的规律决定于速率常数新相出现的规律决定于速率常数新相出现的规律决定于速率常数新相出现的规律决定于速率常数B B ：（a a）B B 0 0，说明，说明，说明，说明 相与相与相与相与相的界面移动比相的界面移动比相的界面移动比相的界面移动比 相和相和相和相和 相的相的相的相的界面移动的快。这种情况下，界面移动的快。这种情况下，界面移动的快。这种情况下，界面移动的快。这种情况下，相可能出现；相可能出现；相可能出现；相可能出现；（b b）B B 0 0，意味着，意味着，意味着，意味着 相与相邻两相的界面移动速度相与相邻两相的界面移动速度相与相邻两相的界面移动速度相与相邻两相的界面移动速度相等。此时不会出现相等。此时不会出现相等。此时不会出现相等。此时不会出现 相；相；相；相；（c c）B B 0 0，意味着，意味着，意味着，意味着 相的两个界面之间的距离要缩相的两个界面之间的距离要缩相的两个界面之间的距离要缩相的两个界面之间的距离要缩小。此种情况下也不会出现小。此种情况下也不会出现小。此种情况下也不会出现小。此种情况下也不会出现 相。相。相。相。44.反应扩散的主要特征反应扩散的主要特征 n 在在一一定定的的温温度度下下，扩扩散散过过程程进进行行中中，成成分分从从高高到到低逐渐变化，但二元合金中不会形成低逐渐变化，但二元合金中不会形成两相混合区两相混合区。n 在在单单相相区区，du/dx为为常常数数，扩扩散散过过程程进进行行，需需存存在在浓度梯度，物质从高浓度处流向低浓度处。浓度梯度，物质从高浓度处流向低浓度处。n在在一一定定的的温温度度下下，随随着着时时间间的的增增加加，发发生生反反应应扩扩散散时时，转转折折点点的的浓浓度度不不发发生生变变化化，而而是是新新相相的的深深度度不不断增加。断增加。n单独依靠扩散从固体中析出另一新相，单独依靠扩散从固体中析出另一新相，新相的层深和时间的关系为：新相的层深和时间的关系为：而生长速度则为：而生长速度则为：45.离离离离子子子子晶晶晶晶体体体体材材材材料料料料中中中中的的的的扩扩扩扩散散散散以以以以空空空空位位位位扩扩扩扩散散散散为为为为主主主主。在在在在离离离离子晶体中，点缺陷主要来自两个方面：子晶体中，点缺陷主要来自两个方面：子晶体中，点缺陷主要来自两个方面：子晶体中，点缺陷主要来自两个方面：一一一一方方方方面面面面是是是是本本本本征征征征点点点点缺缺缺缺陷陷陷陷，如如如如SchottkeySchottkey热热热热缺缺缺缺陷陷陷陷和和和和FrenkleFrenkle热热热热缺缺缺缺陷陷陷陷。其其其其缺缺缺缺陷陷陷陷浓浓浓浓度度度度取取取取决决决决于于于于温温温温度度度度的的的的高高高高低低低低。由由由由这类点缺陷引起的扩散称本征扩散。这类点缺陷引起的扩散称本征扩散。这类点缺陷引起的扩散称本征扩散。这类点缺陷引起的扩散称本征扩散。另另另另一一一一方方方方面面面面是是是是由由由由于于于于掺掺掺掺入入入入与与与与晶晶晶晶体体体体中中中中离离离离子子子子不不不不等等等等价价价价的的的的杂杂杂杂质质质质离离离离子子子子而而而而产产产产生生生生的的的的掺掺掺掺杂杂杂杂点点点点缺缺缺缺陷陷陷陷。由由由由此此此此类类类类缺缺缺缺陷陷陷陷引引引引起起起起的的的的扩扩扩扩散称非本征扩散。散称非本征扩散。散称非本征扩散。散称非本征扩散。4.7 4.7 离子晶体中的扩散离子晶体中的扩散 46.在离子晶体中，高温时的离子比紧束缚的电子更易活在离子晶体中，高温时的离子比紧束缚的电子更易活动，电导是由离子的定向扩散实