第八章：擴(kuò)散

1、第八章：擴(kuò)散擴(kuò)散是物質(zhì)中原子擴(kuò)散是物質(zhì)中原子(或分子或分子)的遷移現(xiàn)象，是物質(zhì)傳輸?shù)囊环N形的遷移現(xiàn)象，是物質(zhì)傳輸?shù)囊环N形式相對(duì)于氣體和液體中的擴(kuò)散現(xiàn)象易于被人察覺(jué)，事實(shí)上，在式相對(duì)于氣體和液體中的擴(kuò)散現(xiàn)象易于被人察覺(jué)，事實(shí)上，在固態(tài)金屬中也固態(tài)金屬中也 存在著同樣的擴(kuò)散現(xiàn)象。在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，存在著同樣的擴(kuò)散現(xiàn)象。在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，有許多問(wèn)題和擴(kuò)散有關(guān)，例如：金屬與合金的熔煉和結(jié)晶，偏有許多問(wèn)題和擴(kuò)散有關(guān)，例如：金屬與合金的熔煉和結(jié)晶，偏析與均勻化，鋼及合金的各種熱處理和焊接，加熱過(guò)程中的氧析與均勻化，鋼及合金的各種熱處理和焊接，加熱過(guò)程中的氧化和脫碳，冷變形金屬的回復(fù)和再結(jié)晶。化和脫碳，

2、冷變形金屬的回復(fù)和再結(jié)晶。本章內(nèi)容概括 擴(kuò)散的機(jī)理 擴(kuò)散的條件 擴(kuò)散的類(lèi)型 擴(kuò)散的第一、第二定律 影響擴(kuò)散的因素 應(yīng)用舉例擴(kuò)散的機(jī)理一、擴(kuò)散現(xiàn)象和本質(zhì)一、擴(kuò)散現(xiàn)象和本質(zhì)如下面兩張圖片：如下面兩張圖片：“近朱者赤，近墨者黑近朱者赤，近墨者黑”可以作為固態(tài)物質(zhì)中一種可以作為固態(tài)物質(zhì)中一種擴(kuò)散現(xiàn)象的描述。固態(tài)中的擴(kuò)散速率十分緩慢不像氣體和液體中擴(kuò)散擴(kuò)散現(xiàn)象的描述。固態(tài)中的擴(kuò)散速率十分緩慢不像氣體和液體中擴(kuò)散那樣易于觀察，但它確確實(shí)實(shí)地存在著。金屬結(jié)晶時(shí)液態(tài)金屬原子向那樣易于觀察，但它確確實(shí)實(shí)地存在著。金屬結(jié)晶時(shí)液態(tài)金屬原子向固態(tài)晶核的遷移再結(jié)晶的晶粒長(zhǎng)大，鋼的脫碳和滲碳，以及金屬的焊固態(tài)晶核的遷移再

3、結(jié)晶的晶粒長(zhǎng)大，鋼的脫碳和滲碳，以及金屬的焊接等，都可以作為固態(tài)金屬中的擴(kuò)散例子。為了進(jìn)一步證實(shí)固態(tài)擴(kuò)散接等，都可以作為固態(tài)金屬中的擴(kuò)散例子。為了進(jìn)一步證實(shí)固態(tài)擴(kuò)散的存在，可作下述試驗(yàn)：把的存在，可作下述試驗(yàn)：把Cu，Ni兩根金屬棒對(duì)焊在一起，在焊接兩根金屬棒對(duì)焊在一起，在焊接面上鑲嵌上幾根鎢絲作為界面標(biāo)志然后加熱到高溫并保溫很長(zhǎng)時(shí)間后，面上鑲嵌上幾根鎢絲作為界面標(biāo)志然后加熱到高溫并保溫很長(zhǎng)時(shí)間后，令人驚異的事情發(fā)生了：作為界面標(biāo)志的鎢絲向純令人驚異的事情發(fā)生了：作為界面標(biāo)志的鎢絲向純Ni一側(cè)移動(dòng)了一段一側(cè)移動(dòng)了一段距離。經(jīng)分析，界面的左側(cè)（距離。經(jīng)分析，界面的左側(cè)（Cu）也含有）也含有Ni原

4、子，而界面的右側(cè)原子，而界面的右側(cè)（Ni）也含有）也含有Cu原子，但是左側(cè)原子，但是左側(cè)Ni的濃度大于右側(cè)的濃度大于右側(cè)Cu的濃度，這表的濃度，這表明，明，Ni向左側(cè)擴(kuò)散過(guò)來(lái)的原子數(shù)目大于向左側(cè)擴(kuò)散過(guò)來(lái)的原子數(shù)目大于Cu向右側(cè)擴(kuò)散過(guò)來(lái)的原子數(shù)向右側(cè)擴(kuò)散過(guò)來(lái)的原子數(shù)目。過(guò)剩的目。過(guò)剩的Ni原子將使左側(cè)的點(diǎn)陣膨脹，而右邊原子減少的地方將發(fā)原子將使左側(cè)的點(diǎn)陣膨脹，而右邊原子減少的地方將發(fā)生點(diǎn)陣收縮，其結(jié)果必然導(dǎo)致界面向右漂移。以上是關(guān)于生點(diǎn)陣收縮，其結(jié)果必然導(dǎo)致界面向右漂移。以上是關(guān)于KIrkendall效應(yīng)的另一個(gè)試驗(yàn)。效應(yīng)的另一個(gè)試驗(yàn)。 柯肯達(dá)爾效應(yīng)柯肯達(dá)爾效應(yīng) 擴(kuò)散前后：碳在鐵中的擴(kuò)散是間隙型

5、溶質(zhì)原子的擴(kuò)散，在這種情況下可以不涉及溶劑鐵碳在鐵中的擴(kuò)散是間隙型溶質(zhì)原子的擴(kuò)散，在這種情況下可以不涉及溶劑鐵原子的擴(kuò)散，因?yàn)殍F原子擴(kuò)散速率與原子直徑都較小，對(duì)較易遷移的碳原子原子的擴(kuò)散，因?yàn)殍F原子擴(kuò)散速率與原子直徑都較小，對(duì)較易遷移的碳原子的擴(kuò)散速率比較而言可以忽略的。然而對(duì)于置換型溶質(zhì)原子的擴(kuò)散，由于溶的擴(kuò)散速率比較而言可以忽略的。然而對(duì)于置換型溶質(zhì)原子的擴(kuò)散，由于溶劑與溶質(zhì)原子的半徑相差不會(huì)很大，原子擴(kuò)散時(shí)必須與相鄰原子間作置換，劑與溶質(zhì)原子的半徑相差不會(huì)很大，原子擴(kuò)散時(shí)必須與相鄰原子間作置換，兩者的可動(dòng)性大致趨于同一數(shù)量級(jí)，因此，必須考慮溶質(zhì)和溶劑原子不同的兩者的可動(dòng)性大致趨于同一數(shù)量

6、級(jí)，因此，必須考慮溶質(zhì)和溶劑原子不同的擴(kuò)散速率，這首先是被柯擴(kuò)散速率，這首先是被柯肯達(dá)爾肯達(dá)爾（kirkendall）等人證實(shí)。）等人證實(shí)。1947年，他們?cè)O(shè)年，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)試驗(yàn)，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為計(jì)了一個(gè)試驗(yàn)，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的黃的黃銅塊銅塊上鍍一層銅，并在銅和黃上鍍一層銅，并在銅和黃銅界銅界面面上預(yù)先放兩排上預(yù)先放兩排Mo絲。將該樣品經(jīng)過(guò)絲。將該樣品經(jīng)過(guò)785擴(kuò)散退火擴(kuò)散退火56d后，發(fā)現(xiàn)上下兩排后，發(fā)現(xiàn)上下兩排Mo絲的距離絲的距離L減小了減小了0.25mm，并且在黃銅上留有一些小洞。假如，并且在黃銅上留有一些小洞。假如Cu和和Zn的擴(kuò)的擴(kuò)散系數(shù)相等，那么以原散系數(shù)相等，那么以原Mo絲平面為

7、分界面，兩側(cè)進(jìn)行的是等量的絲平面為分界面，兩側(cè)進(jìn)行的是等量的Cu和和Zn原原子互換，考慮到子互換，考慮到Zn的原子尺寸大于的原子尺寸大于Cu原子，原子，Zn的外移會(huì)導(dǎo)致的外移會(huì)導(dǎo)致Mo絲（標(biāo)記面）絲（標(biāo)記面）向黃銅一側(cè)移動(dòng)，但經(jīng)計(jì)算移動(dòng)量?jī)H為觀察值的向黃銅一側(cè)移動(dòng)，但經(jīng)計(jì)算移動(dòng)量?jī)H為觀察值的1/10左右。由此可見(jiàn)，兩種左右。由此可見(jiàn)，兩種原子尺寸的差異不是原子尺寸的差異不是Mo絲移動(dòng)的主要原因，這只能是在退火時(shí)，因絲移動(dòng)的主要原因，這只能是在退火時(shí)，因Cu，Zn兩種原子的擴(kuò)散速率不同，導(dǎo)致了由黃銅中擴(kuò)散出的兩種原子的擴(kuò)散速率不同，導(dǎo)致了由黃銅中擴(kuò)散出的Zn的通量大于銅原子擴(kuò)的通量大于銅原子擴(kuò)散

8、進(jìn)入的通量。這種不等量擴(kuò)散導(dǎo)致散進(jìn)入的通量。這種不等量擴(kuò)散導(dǎo)致Mo絲移動(dòng)的現(xiàn)象稱為絲移動(dòng)的現(xiàn)象稱為Kirkendall Effect（柯肯達(dá)爾效應(yīng)）。以后，又發(fā)現(xiàn)了多種置換型擴(kuò)散偶中都有柯肯達(dá)爾效應(yīng)，（柯肯達(dá)爾效應(yīng)）。以后，又發(fā)現(xiàn)了多種置換型擴(kuò)散偶中都有柯肯達(dá)爾效應(yīng)，例如，例如，Ag-Au，Ag-Cu,Au-Ni,Cu-Al,Cu-Sn及及Ti-Mo。 擴(kuò)散的機(jī)理 對(duì)于不同的晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料來(lái)說(shuō)，原子的跳動(dòng)方式可能不同，及擴(kuò)散的機(jī)制可能隨晶體結(jié)構(gòu)的不同而變化，對(duì)于固態(tài)金屬來(lái)說(shuō)，擴(kuò)散機(jī)構(gòu)漢族要有兩種 （1）空位擴(kuò)散機(jī)制 （2）間隙擴(kuò)散機(jī)制 原因：原子擴(kuò)散不僅由原子的熱運(yùn)動(dòng)控制，也由晶體的結(jié)構(gòu)制

9、約。固態(tài)金屬擴(kuò)散的條件 固態(tài)擴(kuò)散室在晶體點(diǎn)陣中進(jìn)行的原子躍遷過(guò)程，但只有大量原子的躍遷才能表現(xiàn)出宏觀的物質(zhì)傳輸結(jié)果，這就需要一定條件。 （一）擴(kuò)散需要驅(qū)動(dòng)力 （二）擴(kuò)散原子要固溶 （三）溫度要足夠高 （四）時(shí)間要足夠長(zhǎng) 固態(tài)擴(kuò)散的分類(lèi) 一）根據(jù)擴(kuò)散過(guò)程中是否發(fā)生濃度變化分類(lèi) 1、自由擴(kuò)散 2、互（異）擴(kuò)散 二)根據(jù)擴(kuò)散方向是否和濃度梯度的方向相同進(jìn)行分類(lèi) 1、下坡擴(kuò)散 2、上坡擴(kuò)散 三）根據(jù)擴(kuò)散過(guò)程中是否出現(xiàn)新相進(jìn)行分類(lèi) 1、原子擴(kuò)散 2、反應(yīng)擴(kuò)散反應(yīng)擴(kuò)散的特點(diǎn) 反應(yīng)擴(kuò)散的特點(diǎn)是在相界處產(chǎn)生濃度突變，突變濃度正好對(duì)應(yīng)與相圖中的相的極限溶解度，如圖8-9所示： 1、原因：F=C-P+1解釋 2、

10、當(dāng)擴(kuò)散溫度一定時(shí)，則F=C-P,因此在單相區(qū)，自由度為1，濃度可以改變，存在可變的濃度梯度。 3、在兩相區(qū)，自由度為0，各相濃度不能改變，其大小分別相當(dāng)于與其鄰間的單相區(qū)的濃度， 4、每種組元的化學(xué)位在兩相區(qū)個(gè)點(diǎn)相等，即，不存在化學(xué)位梯度，擴(kuò)散失去動(dòng)力，二元系的擴(kuò)散中不可能存在兩相區(qū)。擴(kuò)散定律菲克定律菲克定律： 是描述氣體擴(kuò)散現(xiàn)象的宏觀規(guī)律，包括兩個(gè)內(nèi)容：（1）菲克第一定律）菲克第一定律：早在1855年，菲克就提出了：在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積的擴(kuò)散物質(zhì)流量（稱為擴(kuò)散通量Diffusion flux，用J表示）與該截面處的濃度梯度(Concentration gradient)

11、成正比，也就是說(shuō)，濃度梯度越大，擴(kuò)散通量越大。這就是菲克第一定律。（2）菲克第二定律：）菲克第二定律：是在第一定律的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來(lái)的。菲克第二定律指出，在非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程中，在距離x處，濃度隨時(shí)間的變化率等于該處的擴(kuò)散通量隨距離變化率的負(fù)值。 菲克第一定律只適應(yīng)于和J不隨時(shí)間變化穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散(Steady-state diffusion)的場(chǎng)合（見(jiàn)圖3.7-1）。對(duì)于穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散也可以描述為：在擴(kuò)散過(guò)程中，各處的擴(kuò)散組元的濃度C只隨距離x變化，而不隨時(shí)間t變化，每一時(shí)刻從前邊擴(kuò)散來(lái)多少原子，就向后邊擴(kuò)散走多少原子，沒(méi)有盈虧，所以濃度不隨時(shí)間變化。實(shí)際上，大多數(shù)擴(kuò)散過(guò)程都是在非穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行的。非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散(Nonsteady-state diffusion)的特點(diǎn)是：在擴(kuò)散過(guò)程中，J隨時(shí)間和距離變化。通過(guò)各處的擴(kuò)散通量J 隨著距離x在變化，而穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的擴(kuò)散通量則處處相等，不隨時(shí)間而發(fā)生變化。對(duì)于非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，就要應(yīng)用菲克第二定律了。 擴(kuò)散的應(yīng)用舉例 (1)、鑄錠件的均勻化退火均勻化退火是將鋼加熱到略低于固相線溫度（Ac3或Accm以上150-300），長(zhǎng)時(shí)間保溫（10-15h），然后隨爐冷卻，以使鋼的化學(xué)成分和組織均勻化。均勻化退火能耗高，易使晶粒粗大。為細(xì)化晶粒，均勻化退火后應(yīng)進(jìn)行完全退火或正火。這種工藝主要用于質(zhì)量要求高的和精鋼鑄錠、鑄件或