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是與結構相關的幾何參數(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，設原子的振動頻率為v，溶質原子最鄰近的間隙位置數(shù)為z（即間隙配位數(shù)），則應是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是間隙擴散時溶質原子跳躍所需額外的熱力學內能，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等溶質原子在鐵中的間隙擴散激活能比Cr，Al等溶質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，星期日晶體結構晶體結構對擴散有影響，有些金屬存在同素異構轉變，當它們的晶體結構改變后，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構的致密度比面心立方結構的致密度小，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，擴散物質通?？梢匝厝N途徑擴散，即晶內擴散、晶界擴散和表面擴散。若以QL，QS和QB別表示晶內、表面和晶界擴散激活能；DL，DS和DB分別表示晶內、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合力的微觀參量及宏觀參量有關。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合力有關，因而與表征原子間結合力的宏觀參量，如熔點、熔化潛熱、體積膨脹或壓縮系數(shù)相關，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，星期日應力的作用如果合金內部存在著應力梯度，那么，即使溶質分布是均勻的，但也可能出現(xiàn)化學擴散現(xiàn)象。如果合金外部施加應力，在合金中形成彈性應力梯度，也可以使原子向晶體點陣伸長部分遷移，產生擴散現(xiàn)象。第十三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期日4.7反應擴散

當某種元素通過擴散，自金屬表面向內部滲透時，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的材料表面附近在高溫高壓下局部產生塑性變形,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擴散的實際應用——固態(tài)燒結固態(tài)燒結過程

固態(tài)素坯經(jīng)過燒結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