固體中原子及分子的運動

固體中原子及分子的運動第一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期日4.4擴散系數(shù)的計算根據(jù)D=αΓr2,式中α和r是與結(jié)構(gòu)相關(guān)的幾何參數(shù),可以通過查表和實驗分析手段獲得,但是Γ是一個微觀參量無法直接獲得,因此進行擴散系數(shù)的計算關(guān)鍵是求解躍遷頻率.第二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期日原子躍遷頻率

以間隙固溶體為例，溶質(zhì)原子的擴散一般是從一個間隙位置跳躍到其近鄰的另一個間隙位置。間隙原子從位置1跳到位置2的能壘G＝G2-G1，因此只有那些自由能超過G2的原子才能發(fā)生跳躍。對于間隙型擴散，設(shè)原子的振動頻率為v，溶質(zhì)原子最鄰近的間隙位置數(shù)為z（即間隙配位數(shù)），則應(yīng)是v，z，以及具有跳躍條件的原子分數(shù)eG/kT的乘積，即第三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期日擴散系數(shù)所以有:式中D0為擴散常數(shù)；U是間隙擴散時溶質(zhì)原子跳躍所需額外的熱力學內(nèi)能，等于間隙原子的擴散激活能Q。上述式的擴散系數(shù)遵循阿累尼烏斯（Arrhenius）方程：式中，R為氣體常數(shù)，其值為8.314J/(molK)；Q代表每摩爾原子的激活能，T為絕對溫度。第四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期日4.5擴散激活能的計算

當晶體中的原子以不同方式擴散，所需的擴散激活能Q值是不同的。在間隙擴散機制中，Q=ΔU；在空位擴散機制中，Q=ΔU+ΔUV。除此外，還有晶界擴散、表面擴散、位錯擴散，它們的擴散激活能是各不相同的，因此，求出某種條件的擴散激活能，對于了解擴散的機制是非常重要的。根據(jù)擴散系數(shù)的一般表達式，有由實驗值可確定lnD與1/T的關(guān)系。顯然，當原子在高溫和低溫中以兩種不同擴散機制進行時，由于擴散激活能不同，將在lnD-1/T圖中出現(xiàn)兩段不同斜率的折線。根據(jù)斜率我們可以計算出擴散激活能第五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期日4.6影響擴散的因素溫度溫度是影響擴散速率的最主要因素。溫度越高，原子熱激活能量越大，越易發(fā)生遷移，擴散系數(shù)越大。同時由于原子的躍遷次數(shù)與溫度有很大關(guān)系,因此原子平均位移對溫度非常敏感。第六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期日4.6影響擴散的因素固溶體類型不同類型的固溶體，原子的擴散機制是不同的。間隙固溶體的擴散激活能一般均較小，例如，C，N等溶質(zhì)原子在鐵中的間隙擴散激活能比Cr，Al等溶質(zhì)原子在鐵中的置換擴散激活能要小得多，因此，鋼件表面熱處理在獲得同樣滲層濃度時，滲C，N比滲Cr或Al等金屬的周期短。第七頁，共十八頁，編輯于2023年，星期日晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)對擴散有影響，有些金屬存在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，當它們的晶體結(jié)構(gòu)改變后，擴散系數(shù)也隨之發(fā)生較大的變化。例如鐵在912℃時發(fā)生-Fe-Fe轉(zhuǎn)變，-Fe的自擴散系數(shù)大約是-Fe的240倍。所有元素在-Fe中的擴散系數(shù)都比在-Fe中大，其原因是體心立方結(jié)構(gòu)的致密度比面心立方結(jié)構(gòu)的致密度小，原子較易遷移。晶體缺陷在實際使用中的絕大多數(shù)材料是多晶材料，對于多晶材料，正如前已述，擴散物質(zhì)通?？梢匝厝N途徑擴散，即晶內(nèi)擴散、晶界擴散和表面擴散。若以QL，QS和QB別表示晶內(nèi)、表面和晶界擴散激活能；DL，DS和DB分別表示晶內(nèi)、表面和晶界的擴散系數(shù)，則一般規(guī)律是：QL＞QB＞QS，所以DS＞DB＞DL。晶界、表面和位錯等對擴散起著快速通道的作用，這是由于晶體缺陷處點陣畸變較大，原子處于較高的能量狀態(tài)，各種缺陷處的擴散激活能均比晶內(nèi)擴散激活能小，加快了原子的擴散。第八頁，共十八頁，編輯于2023年，星期日成分的影響

(1)組元特性原子在點陣中擴散需要克服能壘，即需要部分地破壞鄰近原子的結(jié)合鍵才能實現(xiàn)躍遷，因此擴散激活能必然和表征原子間結(jié)合力的微觀參量及宏觀參量有關(guān)。從微觀參量講，固溶體中組元的原子尺寸相差愈大，畸變能就愈大，溶質(zhì)原子離開畸變位置進行擴散愈容易，則Q愈小，而D值愈大；組元間的親和力愈強，即負電性相差愈大，則溶質(zhì)原子的擴散愈難.

通常溶解度越小的元素擴散越容易進行。第九頁，共十八頁，編輯于2023年，星期日

不同金屬的自擴散激活能與其點陣的原子間結(jié)合力有關(guān)，因而與表征原子間結(jié)合力的宏觀參量，如熔點、熔化潛熱、體積膨脹或壓縮系數(shù)相關(guān)，熔點高的金屬的自擴散激活能必然大。第十頁，共十八頁，編輯于2023年，星期日(2)組元濃度一般來說,擴散系數(shù)是濃度的函數(shù)。實驗證明，溶質(zhì)濃度對擴散系數(shù)的影響是通過Q和D。兩個參數(shù)起作用的。通常是Q值增加，D。值也增加；而Q值減少，D0值也減小。例如各種元素在銅中的擴散，若只考慮濃度對擴散激活能的影響，擴散系數(shù)要變化幾個數(shù)量級。但實際上濃度引起的擴散系數(shù)的變化不超過2～6倍，其原因是D。的型化相應(yīng)地抵消了一部分Q值變化的緣故。第十一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期日（3）第三組元的影響合金鋼中的合金元素對碳在奧氏體中擴散系數(shù)的影響比較復雜，有的促進擴散，有的阻礙擴散。如圖8—39所示，在鋼中加入4％的鈷可使碳在扎Re中的擴散系數(shù)增加一倍；而加入3％的鉬或l％的鎢，則可使碳在Fe中的擴散系數(shù)減少一半；鎳、錳的加入對碳的擴散系數(shù)影響不大。合金元素影響碳的擴散系數(shù)的原因有：改變了碳的活度；引起點陣畸變、改變了碳原子的遷移率，從而改變了擴散激活能；細化晶粒：增加了短路擴散的通道；合金元素使空位濃度改變，因而改變了雜質(zhì)近鄰原子的躍遷幾率等。第十二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期日應(yīng)力的作用如果合金內(nèi)部存在著應(yīng)力梯度，那么，即使溶質(zhì)分布是均勻的，但也可能出現(xiàn)化學擴散現(xiàn)象。如果合金外部施加應(yīng)力，在合金中形成彈性應(yīng)力梯度，也可以使原子向晶體點陣伸長部分遷移，產(chǎn)生擴散現(xiàn)象。第十三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期日4.7反應(yīng)擴散

當某種元素通過擴散，自金屬表面向內(nèi)部滲透時，若該擴散元素的含量超過基體金屬的溶解度，則隨著擴散的進行會在金屬表層形成中間相（也可能是另一種固溶體），這種通過擴散形成新相的現(xiàn)象稱為反應(yīng)擴散或相變擴散。

第十四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期日反應(yīng)擴散實例分析純鐵的表面氮化第十五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期日反應(yīng)擴散實例分析純鐵滲碳第十六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期日4.7擴散連接兩種不同性質(zhì)的材料表面附近在高溫高壓下局部產(chǎn)生塑性變形,通過原子擴散形成整體可靠連接的過程.第十七頁，共十八頁，編輯于2023年，星期日4.8擴散的實際應(yīng)用——固態(tài)燒結(jié)固態(tài)燒結(jié)過程

固態(tài)素坯經(jīng)過燒結(jié)而成為具有某些特定性能的多晶材料，在粉末冶金、陶瓷等工業(yè)中具有重要意義。固態(tài)素坯經(jīng)過燒結(jié)后，宏觀上出現(xiàn)的變化為收縮、致密化與強度增大；與之相聯(lián)系的微