《金屬學(xué)》課件第八章 擴(kuò)散

1、第六章 擴(kuò)散6.1 概論 一.擴(kuò)散的現(xiàn)象和本質(zhì) 1. 擴(kuò)散: 是物質(zhì)中原子(或分子)的物質(zhì)遷移現(xiàn)象,是物質(zhì)傳輸?shù)囊环N方式. 2. 柯肯達(dá)爾(Kirkendall)效應(yīng) 3. 固態(tài)金屬原子的遷移過(guò)程原子熱振動(dòng)能量起伏克服勢(shì)壘Q原子躍遷原子激活激活能: 原子克服勢(shì)壘所必須的能量.原子躍遷的方向原子的醉步: 擴(kuò)散原子的隨機(jī)躍遷過(guò)程二.擴(kuò)散機(jī)理(一). 間隙擴(kuò)散機(jī)理固溶體中的間隙擴(kuò)散方式間隙固溶體中置換固溶體擠列式(b)頂替式(a)擴(kuò)散的條件:+ 一定的晶體結(jié)構(gòu)熱振動(dòng)間隙固溶體中絕大部分都空著.(二).換位擴(kuò)散機(jī)理直接換位擴(kuò)散機(jī)制環(huán)形換位擴(kuò)散機(jī)制(三).空位擴(kuò)散機(jī)理空位增多溫度提高原子偏離平衡位置原子

2、熱振動(dòng)加劇形成空位勢(shì)能增高原子躍遷到空位的勢(shì)壘降低原子熱振動(dòng)銅的激活能計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較結(jié)論: 空位擴(kuò)散機(jī)理在固態(tài)金屬擴(kuò)散時(shí)可能性最大.三. 固態(tài)金屬擴(kuò)散的條件問(wèn)題: 溶質(zhì)原子一般由高濃度向低濃度的方向擴(kuò)散, 濃度差是擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力嗎?溶質(zhì)原子是否可以由低濃度向高濃度的方向擴(kuò)散? 擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是什么呢? 回答: 擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是化學(xué)位差.組元原子總是自發(fā)的從化學(xué)位高的地方向化學(xué)位低的地方遷移(擴(kuò)散).當(dāng)溶質(zhì)原子的濃度梯度同化學(xué)位梯度一致時(shí),溶質(zhì)原子就會(huì)從高濃度的地方向低濃度地方(遷移)擴(kuò)散.反之, 則向由低濃度的地方向高濃度地方(遷移)擴(kuò)散.最終目的:降低系統(tǒng)的自由能.問(wèn)題舉例: 見(jiàn)下頁(yè).(一)溫

3、度足夠高.(二) 時(shí)間足夠長(zhǎng).(三)擴(kuò)散原子要固溶.(四) 擴(kuò)散要有驅(qū)動(dòng)力.舉例說(shuō)明 含碳量相近的碳鋼(Wc=0.441%)和硅鋼(Wc=0.487%, Wsi=3.80%)對(duì)焊在一起, 在1050oC13小時(shí)后,硅鋼側(cè)碳濃度降低, 碳鋼側(cè)碳濃度上升. 原因是硅提高了碳的化學(xué)位, 所以碳原子從有硅的側(cè)向無(wú)硅的側(cè)擴(kuò)散, 以求降低化學(xué)位. 其他引起擴(kuò)散的因素:溫度梯度, 應(yīng)力梯度, 表面自由能差, 電場(chǎng)和磁場(chǎng)等.舉例:AL-C合金棒彈性彎曲,并在一定溫度下加熱, 發(fā)生擴(kuò)散.大的鋁原子向受拉伸的一邊擴(kuò)散, 小的銅原子小受壓縮的一邊擴(kuò)散.四. 固態(tài)擴(kuò)散的分類(一) 根據(jù)擴(kuò)散過(guò)程中是否發(fā)生濃度變化分類自

4、擴(kuò)散: 互擴(kuò)散:(二) 根據(jù)擴(kuò)散方向是否與濃度梯度的方向相同進(jìn)行分類下坡擴(kuò)散: 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)行分類原子擴(kuò)散反應(yīng)擴(kuò)散6.2 擴(kuò)散定律菲克第一定律 在擴(kuò)散過(guò)程中, 在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向的單位截面面積的擴(kuò)散流量J與濃度梯度dC/dx成正比. J= -DdC/dxJ為擴(kuò)散流量; D為擴(kuò)散系數(shù); 為dC/dx體積濃度梯度; 負(fù)號(hào)表示物質(zhì)的擴(kuò)散方向與濃度梯度的方向相反.適用范圍: 穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散 (擴(kuò)散過(guò)程中, 合金各處的濃度不隨時(shí)間(dC/dt=0)變化.)菲克第二定律 適用范圍: 非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散(擴(kuò)散過(guò)程中, 合金各處的濃度和濃度梯度隨距離和時(shí)間變化.)擴(kuò)散第二定律是

5、由第一定律推導(dǎo)出來(lái), 它適用于一般的擴(kuò)散過(guò)程.方程的解具有C=f (x, t )關(guān)系.設(shè):I, II 為垂直的單位平面;J1,J2為進(jìn)出兩平面的擴(kuò)散流量;濃度隨時(shí)間的變化率為 ; 則單元dx內(nèi)溶質(zhì)的積累速率為:若擴(kuò)散系數(shù)D為常數(shù),則:菲克第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式:三.擴(kuò)散應(yīng)用舉例(一) 鑄錠件的均勻退火 工業(yè)生產(chǎn)中, 采用高溫長(zhǎng)時(shí)間均勻化退火, 通過(guò)合金中的熔質(zhì)原子擴(kuò)散,減輕(消除)枝晶偏析.溶質(zhì)原子沿X方向分布, 符合正弦曲線:2初始邊界條件:菲克第二定律的解: 因?yàn)樗砸?均勻化退火后, 成分偏析的振幅降低到原來(lái)的1%.因此,減低枝晶間距(打碎枝晶) ,提高D (提高退火溫度), 可以減少退火

6、時(shí)間.(二)鋼的滲碳和滲氮(三) 金屬的粘接1.釬焊2.鍍鋅3.包鋁8.3 影響擴(kuò)散的因素?cái)U(kuò)散系數(shù)D為:一. 溫度溫度提高原子震動(dòng)能提高空位濃度提高原子擴(kuò)散系數(shù)D提高例如: 二.晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)不同擴(kuò)散系數(shù)不同晶體致密度越小原子擴(kuò)散系數(shù)越大三.固溶體類型固溶體類型不同, 溶質(zhì)原子的擴(kuò)散激活能不同.間隙原子擴(kuò)散激活能 置換原子擴(kuò)散速度例如: 例如: 四.晶體缺陷表面晶界亞晶界晶體內(nèi)部擴(kuò)散速度由快到慢晶體內(nèi)部位錯(cuò)、空位處晶體內(nèi)部完整部分原因：缺陷處原子排列不整齊，晶格畸變大，能量較高，所以原子擴(kuò)散的激活能小，原子容易擴(kuò)散。五.化學(xué)成分1.加入的合金元素影響合金的熔點(diǎn)時(shí)提高熔點(diǎn)的合金元素, 降低原子擴(kuò)散系數(shù); 反之, 降低熔點(diǎn)的元素, 提高擴(kuò)散系數(shù).原因:合金熔點(diǎn)越高, 原子間的結(jié)合力越大, 原子(