金屬學(xué)與熱處理第8章

1、擴(kuò)散；物質(zhì)由熱運(yùn)動(dòng)引起的原子（分子）遷移（傳輸）現(xiàn)象。擴(kuò)散是溶質(zhì)在母相中的一種遷移現(xiàn)象（從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)遷移）。擴(kuò)散的結(jié)果是溶質(zhì)在母相中分布均勻化?？驴线_(dá)爾效應(yīng)原子克服能壘所必須的能量稱為激活能原子間的結(jié)合力越大，排列的越緊密，則能壘越高，激活能越大，原子依靠能量起伏實(shí)現(xiàn)躍 遷換位越困難擴(kuò)散不是原子的定向躍遷過(guò)程，擴(kuò)散原子的這種隨機(jī)躍遷過(guò)程，被稱為原子的隨機(jī)行走 擴(kuò)散不僅由原子的熱運(yùn)動(dòng)所控制，而且還要受具體的晶體結(jié)構(gòu)所制約 原子擴(kuò)散機(jī)制2種空位擴(kuò)散機(jī)制：在自擴(kuò)散和涉及置換原子的擴(kuò)散過(guò)程中，原子可以離開(kāi)其點(diǎn)陣位置，跳入 鄰近的空位，這樣就會(huì)在原來(lái)的點(diǎn)陣位置產(chǎn)生一個(gè)新的空位。當(dāng)擴(kuò)散繼續(xù)，就產(chǎn)生

2、原子與空 位兩個(gè)相反的遷移流向，稱為空氣擴(kuò)散。自擴(kuò)散和置換擴(kuò)散程度取決于空位的數(shù)目。溫度越高，空位濃度越大，金屬中的原子擴(kuò)散越 容易間隙擴(kuò)散機(jī)制當(dāng)間隙原子存在于晶體結(jié)構(gòu)中，可從一個(gè)間隙位置移動(dòng)到另一個(gè)間隙位置。 當(dāng)間隙原子尺寸越小，擴(kuò)散越快。由于間隙位置比空位位置多，間隙擴(kuò)散比空位擴(kuò)散更容易 發(fā)生。間隙擴(kuò)散的激活能比空位擴(kuò)散的激活能低間隙原子由一個(gè)間隙位置跳到另一個(gè)（臨近）間隙位置，實(shí)現(xiàn)原子的遷移，通常是晶體中八 面體間隙空位擴(kuò)散以空位為媒介，通過(guò)點(diǎn)陣原子和空位不斷的交換位置，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣原子的遷移?？?位擴(kuò)散時(shí)存在兩種無(wú)規(guī)跳動(dòng)：擴(kuò)散原子和空位。實(shí)現(xiàn)空位擴(kuò)散同時(shí)必須滿足兩個(gè)條件：（1）擴(kuò)散原子旁恰

3、好有空位存在；（2）擴(kuò)散原子具有越過(guò)能壘的自由能固態(tài)金屬擴(kuò)散的條件固態(tài)擴(kuò)散是晶體點(diǎn)陣中進(jìn)行的原子躍遷過(guò)程擴(kuò)散要驅(qū)動(dòng)力；擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力不是濃度梯度，而是化學(xué)位梯度擴(kuò)散原子要固溶：擴(kuò)散原子在基體金屬中必須有一定的固溶度，能夠溶基體晶格，形成固 溶體，這樣才能進(jìn)行固態(tài)擴(kuò)散溫度要足夠高；固態(tài)擴(kuò)散是依靠熱激活而進(jìn)行的過(guò)程，金屬晶體中的原子始終以其針點(diǎn)為 中心進(jìn)行著熱振動(dòng)，溫度越高，原子熱激活而進(jìn)行遷移的幾率就越大時(shí)間足夠長(zhǎng)；例如在熱加工剛剛完成時(shí)，迅速將金屬材料冷卻到室溫，抑制擴(kuò)散過(guò)程，避 免發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，可把動(dòng)態(tài)回復(fù)或動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的組織保留下來(lái)，以達(dá)到提高金屬材料性能 的目的自擴(kuò)散：就是不伴有濃度變化的

4、擴(kuò)散，他與濃度梯度無(wú)關(guān)。自擴(kuò)散只發(fā)生在純金屬和均勻固 溶體中。擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是表面能的降低互（異）擴(kuò)散；伴有濃度變化的擴(kuò)散，他與異類原子的濃度差有關(guān)下坡擴(kuò)散：下坡擴(kuò)散是沿著濃度梯度降低的方向進(jìn)行的擴(kuò)散，使?jié)舛扔诰鶆蚧?。如鑄件的均 與化退火，滲碳等過(guò)程上坡擴(kuò)散是沿著濃度升高的方向進(jìn)行的擴(kuò)散。由低濃度向高濃度方向進(jìn)行的擴(kuò)散，使?jié)舛忍?度發(fā)生兩極化。如奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，碳原子從濃度梯度低的奧氏體向濃度較高的滲碳體擴(kuò)散化學(xué)位梯度是其擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力/ _廠）dC新相產(chǎn)生，這種擴(kuò)散就稱為原子擴(kuò)散 前溶度極限而形成新相的過(guò)程稱為反應(yīng)擴(kuò)原子擴(kuò)散：在擴(kuò)散過(guò)程中晶格類型始多不變，反應(yīng)擴(kuò)散;通過(guò)擴(kuò)散使固溶體的

5、溶質(zhì)組元濃度超散或相變擴(kuò)散，反應(yīng)擴(kuò)散所形成的新相，即可以是新的固溶體，也可以是各種化合物 反應(yīng)擴(kuò)散的特點(diǎn)是相界面處產(chǎn)生濃度突變擴(kuò)散第一定律定義:物質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向的單位截面的擴(kuò)散通量與此處 的濃度梯度成正比第一定律僅適用于穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散，即擴(kuò)散過(guò)程中合金各處的濃度梯度及濃度梯度都不隨時(shí)間改 變的情況擴(kuò)散第二定律：在擴(kuò)散過(guò)程中，各處的濃度不僅隨距離變化，而且還隨時(shí)間發(fā)生變化擴(kuò)散運(yùn)用舉例1.鑄件的均勻化退火固溶體合金在非平衡結(jié)晶時(shí)，往往出現(xiàn)不同程度的枝晶偏析。這種偏析可以采用高溫長(zhǎng)時(shí)間 均勻化退火工藝，使合金中的溶質(zhì)原子通過(guò)擴(kuò)散以減輕偏析程度鑄件均勻化退火所需時(shí)間與枝晶間距的平方呈正比

6、，與擴(kuò)散系數(shù)呈反比如果采取措施，減少枝晶間距，就可以顯著減少均勻化退火時(shí)間。用快速凝固或采用鍛打的 方法以使枝晶破碎，均可以使枝晶間距減小。增加擴(kuò)散系數(shù)D的方法，通常提高均勻化退 火溫度，溫度越高，則D越大，則所需退火時(shí)間越短金屬的粘接釬焊：是連接金屬的一種方法，釬焊時(shí)，先將零件搭接好，將釬料安放在母材的間隙內(nèi)或間 隙旁，然后將他們一起加熱到稍高于釬料熔點(diǎn)的溫度，此時(shí)釬料熔化并填滿母材間隙，冷卻 之后將零件牢固連接起來(lái)釬焊要求釬料的熔化溫度一定要低于母材的熔點(diǎn)影響擴(kuò)散的因素溫度、溫度是影響擴(kuò)散習(xí)俗最主要的因素。隨著溫度的升高，擴(kuò)散系數(shù)急劇增大，這是由于 溫度越高，則原子的振動(dòng)能越大。此外，溫度

7、越高，金屬內(nèi)部的空位濃度提高，也有利于 擴(kuò)散固溶體類型、不同類型的固溶體，溶質(zhì)原子的擴(kuò)散激活能不同，間隙原子的擴(kuò)散激活能都比置換原子的小， 所以擴(kuò)散速度比較大在鑄件均勻化退火時(shí)，間隙原子C，N等易于均勻化，而置換型溶質(zhì)原子必須加熱到更高的 溫度才能區(qū)域均勻化晶體結(jié)構(gòu)、高熔點(diǎn)純金屬的擴(kuò)散激活能較高應(yīng)當(dāng)指出，盡管碳原子在1中的擴(kuò)散習(xí)俗比r-fe中的大，可是滲碳溫度仍選在奧氏體區(qū)域。 其原因一方面由于奧氏體的溶碳能力遠(yuǎn)比鐵素體大，可以獲得交大的滲碳層深度，另一方面 考慮到溫度的影響，溫度提高，擴(kuò)散系數(shù)也將大大增加濃度、晶體缺陷、對(duì)于一定晶體結(jié)構(gòu)來(lái)時(shí)，表面擴(kuò)散最快，晶界次之，亞晶界有次之，晶內(nèi)擴(kuò)散最慢。在位錯(cuò)， 空位等缺陷處的原子比完整晶格處的原子擴(kuò)散容易的多原子沿晶界擴(kuò)散比晶內(nèi)擴(kuò)散速度快的原因是由于晶界處的晶格畸變較大，能量較高，所以其 擴(kuò)散激活能要比晶內(nèi)小，原子易于擴(kuò)散遷移。位錯(cuò)密度增加，會(huì)使晶體中的擴(kuò)散速度增加合金元素當(dāng)加入的合金元素使合金的熔點(diǎn)或使合金的液相線溫度降