北航物理冶金原理5-擴散

1、固體金屬中擴散現(xiàn)象固體金屬中擴散現(xiàn)象擴散的基本概念擴散的基本概念 固體金屬中原子的擴散：在固體金屬中原子的擴散：在濃度濃度梯度（化學位梯度）驅(qū)動梯度（化學位梯度）驅(qū)動下、通下、通過原子的過原子的熱激活作用熱激活作用（系統(tǒng)能量（系統(tǒng)能量起伏、大量原子的無規(guī)則躍遷）、起伏、大量原子的無規(guī)則躍遷）、發(fā)生的宏觀發(fā)生的宏觀物質(zhì)定向傳輸現(xiàn)象物質(zhì)定向傳輸現(xiàn)象 驅(qū)動力驅(qū)動力：化學位梯度（濃度梯度）化學位梯度（濃度梯度） 擴散機制擴散機制：原子的熱激活（原子的熱激活（Thermal Activation）熱激活過程熱激活過程Thermal Activation Process擴散激活能擴散激活能 溫度必須足夠高

2、：能量起伏、熱激溫度必須足夠高：能量起伏、熱激活過程活過程 時間足夠長：大量原子微觀上無規(guī)時間足夠長：大量原子微觀上無規(guī)則躍遷、物質(zhì)的定向傳輸則躍遷、物質(zhì)的定向傳輸 擴散原子在溶質(zhì)中須固溶擴散原子在溶質(zhì)中須固溶 擴散必須有驅(qū)動力（濃度梯度、化擴散必須有驅(qū)動力（濃度梯度、化學位梯度、應變能梯度、表面能梯學位梯度、應變能梯度、表面能梯度）度）固體中原子擴散的條件固體中原子擴散的條件材料合成、加工制備、使用過程就是控制擴散材料合成、加工制備、使用過程就是控制擴散的過程：的過程： 固態(tài)相變與熱處理過程：完全依靠原子擴散固態(tài)相變與熱處理過程：完全依靠原子擴散 凝固加工（鑄造、焊接、凝固加工（鑄造、焊接、

3、.) 材料熱加工（熱鍛、熱軋、熱擠壓材料熱加工（熱鍛、熱軋、熱擠壓, ) 材料的高溫力學性能與氧化、腐蝕性能：材料的高溫力學性能與氧化、腐蝕性能： 粉末冶金燒結(jié)：粉末冶金燒結(jié)： 表面化學熱處理與表面滲工藝，表面化學熱處理與表面滲工藝， 擴散連接擴散連接, .擴散對材料科學與工程的意義擴散對材料科學與工程的意義低碳鋼的滲碳處理低碳鋼的滲碳處理C%金屬材料滲鋁、滲硅、滲鉻金屬材料滲鋁、滲硅、滲鉻.半導體的摻雜，半導體的摻雜，.M%Sintering and Densification of Powders粉末的燒結(jié)與致密化粉末的燒結(jié)與致密化擴散連接擴散連接-Diffusion Bonding擴散的

4、宏觀規(guī)律擴散的宏觀規(guī)律菲克第一定律菲克第一定律 Ficks First Law 當濃度梯度為常數(shù)時（當濃度梯度為常數(shù)時（dc/dx = const.） J = D (dc/dx) 擴散通量J：g/cm2.s 擴散系數(shù) D: cm2/s 菲克第二定律菲克第二定律 Ficks Second Law菲克第二定律菲克第二定律 Ficks Second Law擴散系數(shù)擴散系數(shù)D = Do e-Q/kTLn D = ln DoQ/kT 擴散激活能及其實驗求法擴散激活能及其實驗求法Ln Do1/TLn D斜率斜率 k = Q/R 求出求出Q幾種典型擴散現(xiàn)象幾種典型擴散現(xiàn)象 下坡擴散下坡擴散Down-Hill

5、 Diffusion ： 上坡擴散上坡擴散 Up-Hill Diffusion:Down-Hill Diffusion DA, DB Up-Hill Diffusion 上坡擴散 過炮和固溶體的調(diào)幅分解Molybdenum WireCopperBrass （Cu-Zn Alloy）DZn Dcu擴散的微觀機制擴散的微觀機制（Mechanisms of Diffusion）Vacancy Mechanism: Diffusion of Substitutional Solute Atoms空位機制：置換式溶質(zhì)原子空位機制：置換式溶質(zhì)原子（置換式原子的擴散就是空位的反向運動）（置換式原子的擴散就是

6、空位的反向運動）空位機制：置換式溶質(zhì)原子空位機制：置換式溶質(zhì)原子（置換式原子的擴散就是空位的反向運動）（置換式原子的擴散就是空位的反向運動）間隙機制：間隙溶質(zhì)原子間隙機制：間隙溶質(zhì)原子Interstitial Mechanism: Diffusion of Interstitial Atoms間隙機制：間隙溶質(zhì)原子間隙機制：間隙溶質(zhì)原子 擴散激活能Q：較置換式原子小得多 位錯、層錯、晶界、相界、表面位錯、層錯、晶界、相界、表面面缺陷面缺陷(晶界、相界、表面晶界、相界、表面): 溶質(zhì)原子擴散的快速通道溶質(zhì)原子擴散的快速通道晶內(nèi)、晶界及表面擴散系數(shù)晶內(nèi)、晶界及表面擴散系數(shù)晶內(nèi)、晶界及表面擴散系數(shù)晶

7、內(nèi)、晶界及表面擴散系數(shù)影響擴散的因素：影響擴散的因素：D = Doexp(-Q/RT) 溫度：溫度： D = Doexp(-Q/RT)熔點、原子間結(jié)合力，同溶劑原熔點、原子間結(jié)合力，同溶劑原子間的原子尺寸差、化學親和力等子間的原子尺寸差、化學親和力等 熔點熔點越高越高擴散激活能越大擴散激活能越大擴散系數(shù)越小擴散系數(shù)越小 原子間結(jié)合力越強原子間結(jié)合力越強擴散激活能越大擴散激活能越大擴散系擴散系數(shù)越小數(shù)越小 原子尺寸差原子尺寸差越小越小晶格奇變越小晶格奇變越小擴散系數(shù)越擴散系數(shù)越小小 化學親和力越高化學親和力越高（原子間結(jié)合力越強）（原子間結(jié)合力越強）擴散擴散激活能越大激活能越大擴散系數(shù)越小擴散系

8、數(shù)越小影響擴散的因素影響擴散的因素 溶劑金屬性質(zhì)：晶體結(jié)構(gòu)、熔點、結(jié)合能溶劑金屬性質(zhì)：晶體結(jié)構(gòu)、熔點、結(jié)合能 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)致密度越高致密度越高（BCC與與 FCC相差相差1500倍倍) 原子原子擴散激活能越高、擴散系數(shù)越小擴散激活能越高、擴散系數(shù)越小 熔點熔點越高（原子間結(jié)合力越強）越高（原子間結(jié)合力越強）擴散擴散激活能越大激活能越大擴散系數(shù)越小擴散系數(shù)越小 與溶質(zhì)原子化學親和力與溶質(zhì)原子化學親和力越高（原子間結(jié)越高（原子間結(jié)合力越強）合力越強）擴散激活能越大擴散激活能越大擴散系數(shù)擴散系數(shù)越小越小 同溶質(zhì)原子的尺寸差同溶質(zhì)原子的尺寸差越小越小晶格奇變越小晶格奇變越小擴散系數(shù)越小擴散系數(shù)越小

9、元素原子元素原子自擴散激活能自擴散激活能與元素熔點的關(guān)系與元素熔點的關(guān)系Q = k . Tm元素原子元素原子自擴散激活能自擴散激活能與元素熔點的關(guān)系與元素熔點的關(guān)系Q = k . Tm晶晶體體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的影影響響影響擴散的因素影響擴散的因素 晶體缺陷密度：晶體缺陷密度： 空位濃度空位濃度: 過飽和空位過飽和空位（固溶后不能停留太長時間）（固溶后不能停留太長時間） 位錯及層錯密度：是擴散的快速通道位錯及層錯密度：是擴散的快速通道 晶界（晶粒尺寸）晶界（晶粒尺寸）: 納米材料納米材料（表面納米化滲氮）（表面納米化滲氮） 相界相界: 表面曲率：曲率半徑越小、表面自由能越高、擴散表面曲率：曲率半徑越小

10、、表面自由能越高、擴散驅(qū)動力越大驅(qū)動力越大（粉末冶金燒結(jié)、小晶?？s小大晶粒長大）（粉末冶金燒結(jié)、小晶?？s小大晶粒長大） 其他合金元素的影響：其他合金元素的影響：或增加或減小或無影響或增加或減小或無影響 溶質(zhì)濃度：溶質(zhì)濃度： 鋼中：鋼中：Si、Co等非碳化物形成元素顯著提高碳等非碳化物形成元素顯著提高碳的活度的活度提高碳的提高碳的擴散系數(shù)擴散系數(shù) 鋼中：鋼中：Ti、Mo、Cr、V、W等強碳化物形成元等強碳化物形成元素顯著降低碳的活度素顯著降低碳的活度顯著降低碳的顯著降低碳的擴散系數(shù)擴散系數(shù)擴散在材料制備加工及使擴散在材料制備加工及使用過程中的作用及重要性用過程中的作用及重要性 控制擴散過程即控制控制擴散過程即控制材料材料的動力學過程，的動力學過程，是控制材是控制材料組織、提高材料性能與料組織、提高材料性能與制備新材料的基礎！制備新材料的基礎！ 材料制備、加工與成形過程（合金材料制備、加工與成形過程（合金冶煉、熔煉合金化、鑄造、焊接、冶煉、熔煉合金化、鑄造、焊接、熱處理、熱機械處理、鍛造、軋制、熱處理、熱機械處理、鍛造、軋制、超塑成形、均