固體材料中的擴散

固體材料中的擴散大連工業(yè)大學紡織與材料工程學院材化131-06陳嘉敏固體中的擴散擴散的微觀機制影響擴散的因素擴散的應用擴散的微觀機制微觀擴散機制間隙擴散置換擴散影響擴散的因素溫度晶體結構固溶體類型濃度雜質的影響晶體缺陷的影響影響擴散的因素間隙擴散

在間隙固溶體中溶質原子的擴散是從一個間隙位置跳到鄰近的另一個間隙位置，發(fā)生間隙擴散。置換擴散對于置換型固溶體，置換原子很難移動，因為其相鄰格點衛(wèi)視通常被其他原子占據(jù)。

前人提出很多機制解釋置換型固溶體的原子擴散過程，如：直接交換機制，環(huán)形擴散機制，空位擴散機制以及間隙擴散機制。其中空位擴散機制的激活能最小，因此它是最可能發(fā)生的一種擴散機制。

形狀記憶合金它是指在某種條件下經(jīng)過一定的塑性變形后,加熱到一定溫度時,材料能完全恢復到變形前原來形狀的具有一定形狀的固體材料。即它能記憶母相的形狀。Tini形狀記憶合金是一種功能材料，除具有比強度高、耐磨、耐腐蝕、無磁、生物相容性好等特點外，還具有奇特的形狀記憶性能和超彈性性能。其廣泛用于宇航、通信、醫(yī)療、自動控制、儀器儀表、管道連接、眼鏡制造以及日常生活等方面。擴散焊指在一定溫度和壓力下，待焊表面相互靠近、相互接觸，通過使局部發(fā)生微觀塑性變形，或通過被連接表面產(chǎn)生的瞬態(tài)液相而擴大被連接表面的物理接觸，然后經(jīng)較長時間的原子間相互擴散、相互滲透，而形成冶金相結合的連接過程。瞬時液相擴散焊在被焊材料之間加一層有利于擴散的中間材料，該材料在焊接加熱時熔化形成少量的液相，填充縫隙，元素向母材擴散，形成冶金連接的擴散焊方法。TiNiSMA具有特殊的性能被廣泛應用于航空航天、工業(yè)制造和醫(yī)療器械等領域，但TiNiSAM的造價較貴，將其與性能優(yōu)異價格低廉的不銹鋼連接起來，有助于降低成本，擴大其應用范圍。

TiNiSAM和不銹鋼的物理化學性質相差很大，采用等離子弧焊、激光焊等方法是接頭易產(chǎn)生應力集中而開裂，且產(chǎn)生的脆性金屬間化合物嚴重影響接頭的性能。

采用加入中間層的擴散連接技術可以有效緩解接頭的應力。實驗材料：

50.2Ti49.8Ni形狀記憶合金板和304不銹鋼板，尺寸均為10mm*10mm*2mm。

采用50μm厚的AgCu金屬箔做中間過渡層。接頭組織及界面反應層形貌接頭組織及界面反應層形貌接口剪切斷口TiNi冊形貌M區(qū)主要含Ti元素和Fe元素，斷裂發(fā)生在晶粒上，為典型的金屬間化合物。N區(qū)Ag元素和Cu元素含量增加，微觀形貌為方向一致的纖維狀韌窩，呈韌性斷裂特征。整個斷口表面較平坦，脆性斷裂和韌性斷裂交互存在。雖然韌性斷裂占據(jù)大部分區(qū)域，但裂紋首先在脆性金屬間化合物出發(fā)生，并向N區(qū)擴展。研究等溫凝固階段動力學左坐標系的原點為基體A與液相區(qū)在等溫凝固開始時的原始界面；右坐標系的原點為基體B和液相區(qū)在等溫凝固開始時的原始界面，坐標系的正方向為溶質原子擴散的方向。等溫凝固過程進行到某一時刻t，對于左坐標系，在t時刻液界面遷移到c1位置，根據(jù)菲克第二定律，溶質原子在基體中的擴散可以描述為：C—濃度，t—時間，D1—中間層溶質原子在基體A中的擴散系數(shù)。TiNiSMA-304不銹鋼TLP連接中間層溶質原子Cu擴散濃度曲線示意圖左坐標系的原點為基體A與液相區(qū)在等溫凝固開始時的原始界面；右坐標系的原點為基體B和液相區(qū)在等溫凝固開始時的原始界面，坐標系的正方向為溶質原子擴散的方向。結論TiNiSMA/AgCu/304不銹鋼瞬時液相擴散焊界面具有明顯的擴散特征。由于靠近TiNi一側界面發(fā)生大量的脆性金屬間化合物，斷裂發(fā)生在TiNi母材和AgCu