固态中原子及分子的运动07级.pptx

第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动本章要求的主要内容本章要求的主要内容1.1.掌握一些基本概念：扩散掌握一些基本概念：扩散(第一、第二第一、第二)定律、扩散系数、定律、扩散系数、纯扩散、化学扩散、上坡扩散、下坡扩散、原子扩散、反应（相纯扩散、化学扩散、上坡扩散、下坡扩散、原子扩散、反应（相变）扩散、自扩散、互（异）扩散、扩散激活能，稳态扩散，非变）扩散、自扩散、互（异）扩散、扩散激活能，稳态扩散，非稳态扩散，扩散通量、柯肯达尔效应、激活能、跃迁、无规行走稳态扩散，扩散通量、柯肯达尔效应、激活能、跃迁、无规行走(醉步醉步)2.2.固态金属中原子扩散的条件及影响扩散的因素固态金属中原子扩散的条件及影响扩散的因素 3.3.扩散定律的内容、适应条件、解及应用扩散定律的内容、适应条件、解及应用(如渗碳如渗碳)4.4.扩散系数扩散系数D D=D D0exp(-0exp(-Q Q/RTRT)中参数的物理意义，扩散系中参数的物理意义，扩散系数及其影响因素，扩散驱动力数及其影响因素，扩散驱动力 5.5.固相中原子扩散的各种（空位、间隙、换位、晶界扩散）固相中原子扩散的各种（空位、间隙、换位、晶界扩散）机制机制 6.6.扩散的分类扩散的分类 7.7.柯肯达尔效应描述及其意义柯肯达尔效应描述及其意义第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动物质的传输方式物质的传输方式气体：气体：扩散扩散+对流对流固体：固体：扩散扩散液体：液体：扩散扩散+对流对流金属金属 陶瓷陶瓷高分子高分子键属金键属金离离子子键键共价键共价键扩散机制不同扩散机制不同概概述述第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动扩散的类型扩散的类型 一一一一.根根根根据据据据扩扩扩扩散散散散过过过过程程程程中中中中是是是是否否否否发发发发生生生生浓浓浓浓度度度度变变变变化化化化（组组组组元元元元浓浓浓浓度度度度分分分分布布布布）分类分类分类分类 1.1.1.1.自自自自扩扩扩扩散散散散(Self(Selfdiffusion)diffusion)：纯纯物物质质或或成成分分均均匀匀合合金金中中的的扩扩散散。自自扩扩散散在在扩扩散散过过程程中中不不伴伴有有浓浓度度变变化化的的扩扩散，即不改变组元浓度分布。扩散与热振动有关。散，即不改变组元浓度分布。扩散与热振动有关。2.2.2.2.互互互互扩扩扩扩散散散散(异异异异扩扩扩扩散散散散、化化化化学学学学扩扩扩扩散散散散)(mutual/chemical(mutual/chemical diffusion)diffusion)：成成分分不不均均匀匀合合金金中中的的扩扩散散。伴伴有有浓浓度度变变化化的的扩扩散散。互互扩扩散散与与异异类类原原子子的的浓浓度度差差有有关关,是是异异类类原原子子的的相对扩散、相互渗透。相对扩散、相互渗透。第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动二二.根根根根据据据据扩扩扩扩散散散散方方方方向向向向是是是是否否否否与与与与浓浓浓浓度度度度梯梯梯梯度度度度（concentration concentration concentration concentration gradientgradientgradientgradient）一致。一致。一致。一致。1.1.1.1.下下下下坡坡坡坡扩扩扩扩散散散散(顺顺顺顺扩扩扩扩散散散散)(downhill downhill diffusion)diffusion)：扩扩散散方方向向与与浓浓度度梯梯度度方方向向相相反反，即即组组元元沿沿浓浓度度降降低低方向进行的扩散，扩散使浓度趋势与均匀化。方向进行的扩散，扩散使浓度趋势与均匀化。2.2.2.2.上上上上坡坡坡坡扩扩扩扩散散散散(逆逆逆逆扩扩扩扩散散散散)(uphill uphill diffusion)diffusion)：扩扩散散方方向向与与浓浓度度梯梯度度方方向向相相同同，即即沿沿浓浓度度升升高高方方向向进进行的扩散行的扩散,扩散使浓度发生两极分化，更不均匀。扩散使浓度发生两极分化，更不均匀。第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动三三三三.根据扩散的路径分类：根据扩散的路径分类：根据扩散的路径分类：根据扩散的路径分类：1.1.1.1.体体体体扩扩扩扩散散散散（点点点点阵阵阵阵扩扩扩扩散散散散）：扩扩扩扩散散散散原原原原子子子子在在在在晶晶晶晶格格格格结结结结构构构构内部的扩散内部的扩散内部的扩散内部的扩散。2.2.2.2.晶界扩散：晶界扩散：晶界扩散：晶界扩散：扩散原子在晶粒边界的扩散扩散原子在晶粒边界的扩散扩散原子在晶粒边界的扩散扩散原子在晶粒边界的扩散。3.3.3.3.表面扩散：表面扩散：表面扩散：表面扩散：扩散原子在晶粒外表面的扩散扩散原子在晶粒外表面的扩散扩散原子在晶粒外表面的扩散扩散原子在晶粒外表面的扩散。4.4.4.4.位错扩散：位错扩散：位错扩散：位错扩散：扩散原子沿位错进行的扩散扩散原子沿位错进行的扩散扩散原子沿位错进行的扩散扩散原子沿位错进行的扩散。第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动 四四四四.根据扩散过程中是否出现新相进行分类根据扩散过程中是否出现新相进行分类根据扩散过程中是否出现新相进行分类根据扩散过程中是否出现新相进行分类 1.1.1.1.原原原原子子子子扩扩扩扩散散散散(atomic(atomic diffusion)diffusion)：扩扩散散时时晶晶格格不不变变,无新相产生。无新相产生。2.2.2.2.反反反反应应应应扩扩扩扩散散散散(相相相相变变变变扩扩扩扩散散散散)(reaction(reaction diffusion)diffusion)：当当某某种种元元素素扩扩散散,其其浓浓度度超超过过基基体体金金属属的的溶溶解解度度极极限限而而形形成成新新相相的的过过程程。即即在在扩扩散散中中由由于于成成分分的的变变化化，通通过过化化学学反反应应而而伴伴随随着着新新相相的的形形成成(或或称称有有相相变变发发生生)的的扩扩散散过过程程。反反应应扩扩散散生生成成的的新新新新相相可可以以是是中中间间相相,也也可可以以是固溶体。是固溶体。第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动五五五五.根据扩散区的晶体结构根据扩散区的晶体结构根据扩散区的晶体结构根据扩散区的晶体结构 1.1.1.1.单单单单相相相相扩扩扩扩散散散散：扩扩扩扩散散散散在在在在晶晶晶晶体体体体结结结结构构构构相相相相同同同同的的的的区区区区域域域域（单单单单相固溶体）中的扩散相固溶体）中的扩散相固溶体）中的扩散相固溶体）中的扩散。2.2.2.2.多多多多相相相相扩扩扩扩散散散散：扩扩扩扩散散散散在在在在晶晶晶晶体体体体结结结结构构构构不不不不同同同同的的的的区区区区域域域域（多多多多相区）中的扩散相区）中的扩散相区）中的扩散相区）中的扩散。第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动 扩扩散散(diffusion)diffusion)：原原子子或或分分子子的的迁迁移移现现象象。扩扩散散的的本本质质是是原原子子或或分分子子依依靠靠热热运运动动不不断断的的从从一一个个位位置置迁迁移移到到另另一一个个位位置置。扩散是固体中原子迁移的唯一方式。扩散是固体中原子迁移的唯一方式。固态金属扩散有哪些条件？固态金属扩散有哪些条件？固态金属扩散有哪些条件？固态金属扩散有哪些条件？由由于于固固态态金金属属中中原原子子间间结结合合力力比比气气体体、液液体体大大得得多多，其其扩扩散散也不易、需具备下列四个条件才能扩散也不易、需具备下列四个条件才能扩散:1.1.温温度度要要足足够够高高。只只有有T T足足够够高高，才才能能使使原原子子具具有有足足够够的的激激活能，足以克服周围原子的束缚而发生迁移。活能，足以克服周围原子的束缚而发生迁移。2.2.时时间间要要足足够够长长。扩扩散散原原子子在在晶晶格格中中每每一一次次最最多多迁迁移移0.30.30.50.5n mn m的距离，要扩散的距离，要扩散1 1的距离，必须迁移近亿次。的距离，必须迁移近亿次。3.3.扩扩散散原原子子要要能能固固溶溶。扩扩散散原原子子在在基基体体金金属属中中必必须须有有一一定定的的固溶度固溶度,能溶入基体组元晶格能溶入基体组元晶格,形成固溶体形成固溶体,才能进行固态扩散。才能进行固态扩散。4.4.扩扩散散要要有有驱驱动动力力（driven driven forceforce）。实实际际发发生生的的定定向向扩扩散散过程都是在扩散驱动力作用下进行的。过程都是在扩散驱动力作用下进行的。第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动4.1 表象理论表象理论 (Phenomenologicallaws)第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动 扩散扩散(diffusion)(diffusion):在在一个相内因分子或原子的热激活运一个相内因分子或原子的热激活运动导致成分混合或均匀化的分子动力学过程。动导致成分混合或均匀化的分子动力学过程。完全混合完全混合部分部分混合混合时间加入加入染料染料水水第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动高碳含量区域高碳含量区域低碳含量区域低碳含量区域碳的扩散方向碳的扩散方向Fe-C合金合金第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动4.1.1Fick Fick 第一定律第一定律 FickFickFickFick第第第第一一一一定定定定律律律律（FickFicks s first first lawlaw、又又称称扩扩扩扩散散散散第第第第一一一一定定定定律律律律）描描述述在在稳稳态态条条件件下下的的扩扩散散（steady steady state state diffusiondiffusion),即即各各处处浓度不随时间变化浓度不随时间变化,只随距离变化而变化只随距离变化而变化.内内内内容容容容：在在单单位位时时间间内内通通过过垂垂直直扩扩散散方方向向的的单单位位截截面面积积上上的的扩扩散散物物质质流流量量(diffusion diffusion fluxesfluxes、称称为为扩扩散散通通量量，g/cmg/cm2 2s)s)与与该截面处的浓度梯度成正比该截面处的浓度梯度成正比.表达式表达式表达式表达式:J=J=J=J=D D D D d/dxd/dxd/dxd/dx d d为浓度，为浓度，g/cmg/cm3 3。负号负号负号负号表示扩散由高浓度向低浓度方向进行。表示扩散由高浓度向低浓度方向进行。第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动J=-Dddx稳态扩散稳态扩散J:J:扩散通量扩散通量(mass flux),kg/(mmass flux),kg/(m2 2s)s)D:D:扩散系数扩散系数(diffusivity),mdiffusivity),m2 2/s/s。描述扩散速度的物理量，它描述扩散速度的物理量，它等于浓度梯度为等于浓度梯度为1时在时在1秒内通过秒内通过1面积的物质质量或原子面积的物质质量或原子数。数。D越大，则扩散越快越大，则扩散越快.:质量浓度，质量浓度，kg/mkg/m3 3 :浓度梯度浓度梯度12dxJ(12)FickFick第一定律描述第一定律描述第一定律描述第一定律描述第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动 稳态时稳态时:单位时间内通过半径为单位时间内通过半径为r(rr(r2 2rrr0 =x0 =x0 =x0 =；x0 =0 x0 =0 x0 =0 x0lnxi)0，D0D0为为 下下下下 坡坡坡坡 扩扩扩扩 散散散散；当当 1 1(lnri lnri/lnxi)0,D0lnxi)0,D0为为上坡扩散上坡扩散上坡扩散上坡扩散。决决定定组组元元扩扩散散的的基基本本因因素素为为i i/x/xi i,扩扩散散总总是是导致扩散组元的减小导致扩散组元的减小,直至为零。直至为零。4.2.4.2.4.2.4.2.3 3 3 3 上坡扩散和下坡扩散上坡扩散和下坡扩散上坡扩散和下坡扩散上坡扩散和下坡扩散第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动4.2.4.2.4.2.4.2.3 3 3 3 上坡扩散和下坡扩散上坡扩散和下坡扩散上坡扩散和下坡扩散上坡扩散和下坡扩散 根根根根 据据据据 扩扩扩扩 散散散散 方方方方 向向向向 是是是是 否否否否 与与与与 浓浓浓浓 度度度度 梯梯梯梯 度度度度（concentration concentration concentration concentration gradientgradientgradientgradient）（d/dxd/dxd/dxd/dx）的方向的方向的方向的方向(浓度变化趋势浓度变化趋势浓度变化趋势浓度变化趋势)相同分类相同分类相同分类相同分类 1.1.1.1.下下下下坡坡坡坡扩扩扩扩散散散散(downhill downhill diffusion)diffusion)（顺顺顺顺扩扩扩扩散散散散）：沿沿浓浓度度降降低低方方向向进进行行的的扩扩散散,扩扩散散使使浓浓度度趋趋势势与与均均匀匀化化。例例如如:均均匀匀化退火化退火 、化学热处理、化学热处理 2.2.2.2.上上上上坡坡坡坡扩扩扩扩散散散散(uphill uphill diffusion)diffusion)（逆逆逆逆扩扩扩扩散散散散）：沿沿浓浓度度升升高高方方向向进进行行的的扩扩散散,扩扩散散使使浓浓度度发发生生两两极极分分化化。上上坡坡扩扩散散的的一一些情况：些情况：(1)(1)弹性应力作用。弹性应力作用。(2)(2)晶界内吸附。降低整个体系自由能。晶界内吸附。降低整个体系自由能。(3)(3)化学位不同。这是最主要的因素。化学位不同。这是最主要的因素。(4)(4)形成化合物。如形成化合物。如Fe3CFe3C形成。形成。(5)(5)特特殊殊环环境境，如如强强大大的的电电场场、磁磁场场、温温度度场场作作用用下下,原原子按一定方向迁移。子按一定方向迁移。例例如如:液液态态合合金金的的共共晶晶转转交交；固固溶溶体体的的共共析析转转交交；固固溶溶体体中新相析出及新相长大中新相析出及新相长大第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动4.3 4.3 扩散的原子理论扩散的原子理论 扩散机制扩散机制(机理机理)原子的跳跃和扩散系数原子的跳跃和扩散系数扩散激活能扩散激活能无规则行走与扩散距离无规则行走与扩散距离 第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动4.3.1扩散机制扩扩散散机机制制（mechanism mechanism of of diffusiondiffusion）的的主主要要类类型如图型如图4.4.9 9，主要有以下，主要有以下几种机制几种机制几种机制几种机制(flashflashflashflash):1.1.交交换换（换换位位）机机制制（exchange exchange mechanismmechanism）：以相邻原子交换位置进行扩散方式。换位方式：以相邻原子交换位置进行扩散方式。换位方式：（1 1）直直直直接接接接换换换换位位位位扩扩扩扩散散散散:相相邻邻原原子子直直接接交交换换位位置置进进行行迁迁移。移。（2 2）环环形形换换位位（cyclic cyclic exchangeexchange）扩扩散散:相相邻邻三三个个或或四四个个原原子子同同时时进进行行旋旋转转式式交交换换位位置置（3 3原原子子环环形形换换位位扩扩散散、4 4原子环形换位扩散原子环形换位扩散）。扩扩散散需需要要两两个个或或两两个个以以上上的的原原子子协协同同跳跳动动，所所需需能能量较高。结果是垂直于扩散方向平面的净通量等于量较高。结果是垂直于扩散方向平面的净通量等于0.0.第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动 2.2.间隙机制间隙机制（interstitial mechanisminterstitial mechanism）：(1)(1)间间隙隙型型溶溶质质原原子子扩扩散散从从一一个个间间隙隙位位置置迁移到另一个间隙位置的过程。迁移到另一个间隙位置的过程。（间隙间隙间隙间隙）(2)(2)置置换换型型溶溶质质原原子子间间隙隙机机制制扩扩散散有有如如下下方式方式:a.a.推推填填机机制制（interstitialcy interstitialcy mechanismmechanism）b.b.挤挤列列机机制制（crowdion crowdion configurationconfiguration）c.c.跃迁机制（跃迁机制（jump migrationjump migration）第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动 3.3.空位机制空位机制空位机制空位机制（vaccaucy mechanismvaccaucy mechanism）：）：扩扩散散原原子子与与空空位位的的逆逆向向流流动动,产产生生KirkendallKirkendall效效应应.大大多多数数情情况况下下原原子子扩扩散散是是借借助助空空位位机机制制。（空空空空位移动位移动位移动位移动）4.4.晶晶晶晶 界界界界 扩扩扩扩 散散散散 和和 表表表表 面面面面 扩扩扩扩 散散散散（grain grain boundary boundary diffusion and surface diffusiondiffusion and surface diffusion）:晶体内扩散晶体内扩散D Dl l 晶界扩散晶界扩散D Db b Q Q Q Qb b b b Q Q Q Qs s s s D D D Dl l l l D D D Db b b b D D D Ds s s s 一般一般 Q Q Q Qb b b b=（0.60.60.60.6 0.7 0.7 0.7 0.7）Q Q Q Ql l l l 第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动 lnDlnD1/T1/T成成直直线线关关系系，图图4.154.15为为单单、多多晶晶体体的的D D随随变变化化图图。说明：说明：(1)(1)单单晶晶体体的的扩扩散散系系数数表表征征了了晶晶内内D Dl l;而而多多晶晶体体的的D D是是晶晶内内扩散和晶界扩散共同作用的表象扩散系数。扩散和晶界扩散共同作用的表象扩散系数。(2)(2)对对AgAg来来说说 700700C C以以上上 D D单单晶晶D D多多；700700C C以以下下 D D单晶单晶 Q Q Q Qb b b b Q Q Q Qs s s s ，D Dl l D Db b D Ds s。晶晶体体缺缺陷陷对对缺缺陷陷起起着着快快速速通通道道（high-diffusivity high-diffusivity pathpath）的的作作用用称称为为短短路路扩扩散散(short-circuit short-circuit diffusiondiffusion)。在在实实际际生生产产中这几种扩散同时进行中这几种扩散同时进行,并且在温度较低时并且在温度较低时,所起的作用更大。所起的作用更大。第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动5.5.5.5.化学成分化学成分化学成分化学成分:(1)(1)D D的大小与组元特性有关。的大小与组元特性有关。(2)(2)D D与溶质浓度有关。与溶质浓度有关。D D与关系由与关系由4.254.25式决定。式决定。(3)(3)第第三三组组元元(或或杂杂质质)对对二二元元合合金金扩扩散散也也有有影影响响,但很复杂但很复杂 例如钢中加入例如钢中加入Me,Me,对对C C在在FeFe中的中的D D的影响的影响 (1)(1)碳化物形成元素：如碳化物形成元素：如W W、MoMo、CrCr等，使等，使D D下降。下降。(2)(2)非非碳碳化化物物形形成成元元素素，但但易易溶溶于于碳碳化化物物，如如Mn Mn 对对D D 影影响响不不大大；非非碳碳化化物物形形成成元元素素CoCo、NiNi、SiSi等等能能溶溶子子FeFe中中的的元元素素影影响响不不同同。CoCo、NiNi等等使使D D升升高高，SiSi等等使使D D下下降。降。第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动 6.6.应力应力 (1)(1)合合金金内内存存在在应应力力场场、应应力力提提供供驱驱动动力力F F。应力升高、。应力升高、F F升高，据升高，据V=BV=BF F，V V升高升高 (2)(2)外外界界施施加加应应力力，在在合合金金中中产产生生弹弹性性应应力梯度，促进原子迁移。力梯度，促进原子迁移。7.7.磁性磁性 具具有有磁磁性性转转交交的的金金属属在在铁铁磁磁性性状状态态下下的的 比比顺磁性状态下慢。顺磁性状态下慢。D D小一些。小一些。第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动 反反反反应应应应扩扩扩扩散散散散(相相相相变变变变扩扩扩扩散散散散)(reaction(reaction diffusion)diffusion)：当当某某种种元元素素扩扩散散,其其浓浓度度超超过过基基体体金金属属的的溶溶解解度度极极限限而而形形成成新新相相的的过过程程。即即在在扩扩散散中中由由于于成成分分的的变变化化，通通过过化化学学反反应应而而伴伴随随着着新新相相的的形形成成(或称有相变发生或称有相变发生)的扩散过程。的扩散过程。反反应应扩扩散散生生成成的的新新相相与与原原来来的的基基体体相相之之间间存存在在明明显显的的观观察察面面,新新相相可可以以是是中中间间相相,也也可可以以是是固固溶溶体体。反反应应扩扩散散可可以以参参考考平平衡相图分析形成的新相。衡相图分析形成的新相。反反反反应应应应扩扩扩扩散散散散特特特特点点点点：在在相相界界面面处处产产生生成成分分突突变变,突突变变的的浓浓度度正正好好对应于相图相的极限浓度。对应于相图相的极限浓度。许许多多相相变变的的过过程程是是有有成成分分的的变变化化，或或由由扩扩散散过过程程来来控控制制的的。了了解解反反应应扩扩散散的的规规律律对对了了解解由由成成分分的的变变化化来来控控制制的的相相变变有有十十分分重要的意义。重要的意义。4.5 4.5 反应扩散反应扩散第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动 1.1.原原子子扩扩散散(atomic(atomic diffusion)diffusion)：扩扩散时晶格不变散时晶格不变,无新相产生。无新相产生。2.2.反反应应扩扩散散(相相变变扩扩散散)(reaction(reaction diffusion)diffusion)：当当某某种种元元素素扩扩散散,其其浓浓度度超超过过基基体体金金属属的的溶溶解解度度极极限限而而形形成成新新相相的的过过程程。即即在在扩扩散散中中由由于于成成分分的的变变化化，通通过过化化学学反反应应而而伴伴随随着着新新相相的的形形成成(或或称称有有相相变变发生发生)的扩散过程。的扩散过程。第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动反应扩散反应扩散(Fe、N之间）例子之间）例子纯纯铁铁在在520520C C氮氮化化时时可可由由FeFeN N相相图图分分析析形形成成新新相相,W WN N变变化化,形形成成新新相相不同。不同。相相：N N在在 FeFe中中的间隙固溶体的间隙固溶体W WN N1.1%1.1%相相：以以Fe4NFe4N为为基基的的固溶体固溶体W WN N=5.7=5.76.1%6.1%相相：FeFex xN N、x=2x=23 3、W WN N=7.8=7.811.011.0第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动反应扩散反应扩散反应扩散反应扩散的实例渗碳过程的实例渗碳过程的实例渗碳过程的实例渗碳过程 利利用用Fe-CFe-C相相图图，将将纯纯铁铁置置于于930930渗渗碳碳，气气氛氛能能使使表表明明达达到到的的最最高高溶溶解解的的碳碳量量为为C CS S，因因为为再再高高将将形形成成碳碳化化物物。表表面面为为CSCS的的固固溶溶体体为为相相，从从表表面面向向内内，碳碳的的含含量量逐逐渐渐减减少少，直直到到碳碳含含量量为为C C2 2处处；心心部部为为纯纯铁铁在在850850下下依依然然为为相相，从从心心部部向向外外，碳碳的的含含量量逐逐渐渐提提高高，表表面面达达到到C C1 1处处。从从相相图图可可知知它它们们到到达达互互相相平平衡衡，这里形成两相的分界面，碳的含量就出现了突变。这里形成两相的分界面，碳的含量就出现了突变。随随时时间间的的加加长长，在在相相存存在在碳碳的的浓浓度度梯梯度度，碳碳不不断断向向内内扩扩散散，在在/相相界界面面碳碳多多余余进进入入到到相相，平平衡衡破破坏坏，部部分分的的得得到到碳碳转转变变生生成成相相，因因此此在在相相界界面两边的成分依然为面两边的成分依然为C2C2和和C1C1不变，而是相界面向内迁移，即不变，而是相界面向内迁移，即相在不断生长。相在不断生长。可可见见在在二二元元合合金金的的在在一一定定温温下下进进行行扩扩散散过过程程中中，不不会会出出现现两两相相区区。当当然然二二元元合合金金的的恒恒温温扩扩散散过过程程中中为为什什么么不不会会出出现现两两相相区区可可以以用用相相律律来来证证明明，但但证证明明过过程程不不要要求求大大家家掌掌握握，只只要要知知道道这这个个结结论论。值值得得指指出出的的是是这这表表现现在在恒恒温温扩扩散散过过程程时时，处处理理结结束束后后冷冷却却下下来来，材材料料会会遵遵照照相相图图的的规规律律发发生生相相关关的的变变化化，所所以以并并不不代代表表到到室室温温时时不不存存在在两相区，但这个成分的突变会保留下来。两相区，但这个成分的突变会保留下来。第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动本章知识结构本章知识结构第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动1.1.介绍了一些基本概念：扩散系数、纯扩散、化学扩散、上介绍了一些基本概念：扩散系数、纯扩散、化学扩散、上坡扩散、下坡扩散、原子扩散、反应（相变）扩散、自扩散、坡扩散、下坡扩散、原子扩散、反应（相变）扩散、自扩散、互（异）扩散、扩散激活能，稳态扩散，非稳态扩散，扩散通互（异）扩散、扩散激活能，稳态扩散，非稳态扩散，扩散通量、柯肯达尔效应、激活能、跃迁、无规行走等。量、柯肯达尔效应、激活能、跃迁、无规行走等。2.2.固态金属中原子扩散的条件、影响扩散的因素和分类。固态金属中原子扩散的条件、影响扩散的因素和分类。3.3.扩散扩散（菲克菲克）第一、第二定律的内容、适应条件、解及应第一、第二定律的内容、适应条件、解及应用。菲克第二定律的误差函数解法及其应用，由相应的边界条用。菲克第二定律的误差函数解法及其应用，由相应的边界条件和初始条件来计算。件和初始条件来计算。4.4.扩散系数及其影响因素扩散系数及其影响因素.扩散的真实驱动力，解释材料中的扩散的真实驱动力，解释材料中的“上坡扩散上坡扩散”现象。现象。5.5.固相中原子的扩散的微观机制（空位、间隙、换位、晶界固相中原子的扩散的微观机制（空位、间隙、换位、晶界扩散机制扩散机制)6.6.反应扩散的概念、特点。反应扩散的概念、特点。本章小结本章小结 第四章第四章第四章第四章 固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动固体中原子及分子运动本章知识点本章知识点 1 1、固态金属扩散的条件及影响扩散的因素；扩散的、固态金属扩散的条件及影响扩散的因素；扩散的类型；类型；2 2、扩散定律的内容和表达式、适应条件。扩散定律、扩散定律的内容和表达式、适应条件。扩散定律的解及应用；的解及应用；3 3、扩散系数及其物理意义、公式；柯肯达尔效应、扩散系数及其物理意义、公式；柯肯达尔效应（Al-CuAl-Cu）。）。4.4.概念和概念的区别：如原子扩散和反应扩散、自概念和概念的区别：如原子扩散和反应扩散、自扩散、互（异）扩散等。扩散、互（异）扩散等。