《金屬學(xué)與熱處理》教學(xué)課件：第八章 擴(kuò)散

1、第六章 擴(kuò)散,6.1 概論 一.擴(kuò)散的現(xiàn)象和本質(zhì) 1. 擴(kuò)散: 是物質(zhì)中原子(或分子)的物質(zhì)遷移現(xiàn)象,是物質(zhì)傳輸?shù)囊环N方式.,2. 柯肯達(dá)爾(Kirkendall)效應(yīng),3. 固態(tài)金屬原子的遷移過程,激活能: 原子克服勢壘所必須的能量.,原子躍遷的方向,原子的醉步: 擴(kuò)散原子的隨機(jī)躍遷過程,二.擴(kuò)散機(jī)理,(一). 間隙擴(kuò)散機(jī)理,固溶體中的間隙擴(kuò)散方式,擴(kuò)散的條件:,+ 一定的晶體結(jié)構(gòu),熱振動(dòng),間隙固溶體中絕大部分都空著.,(二).換位擴(kuò)散機(jī)理,直接換位擴(kuò)散機(jī)制,環(huán)形換位擴(kuò)散機(jī)制,(三).空位擴(kuò)散機(jī)理,空位增多,溫度提高,原子偏離平衡位置,原子熱振動(dòng)加劇,形成空位,勢能增高,原子躍遷到空位的勢壘

2、降低,原子熱振動(dòng),銅的激活能計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較,結(jié)論: 空位擴(kuò)散機(jī)理在固態(tài)金屬擴(kuò)散時(shí)可能性最大.,三. 固態(tài)金屬擴(kuò)散的條件,問題: 溶質(zhì)原子一般由高濃度向低濃度的方向擴(kuò)散, 濃度差是擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力嗎? 溶質(zhì)原子是否可以由低濃度向高濃度的方向擴(kuò)散? 擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是什么呢?,回答: 擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是化學(xué)位差. 組元原子總是自發(fā)的從化學(xué)位高的地方向化學(xué)位低的地方遷移(擴(kuò)散). 當(dāng)溶質(zhì)原子的濃度梯度同化學(xué)位梯度一致時(shí),溶質(zhì)原子就會(huì)從高濃度的地方 向低濃度地方(遷移)擴(kuò)散.反之, 則向由低濃度的地方向高濃度地方(遷移)擴(kuò)散. 最終目的:降低系統(tǒng)的自由能.,問題舉例: 見下頁.,(一)溫度足夠高.,(二) 時(shí)

3、間足夠長.,(三)擴(kuò)散原子要固溶.,(四) 擴(kuò)散要有驅(qū)動(dòng)力.,舉例說明,含碳量相近的碳鋼(Wc=0.441%)和硅鋼(Wc=0.487%, Wsi=3.80%)對焊在一起, 在1050oC13小時(shí)后,硅鋼側(cè)碳濃度降低, 碳鋼側(cè)碳濃度上升. 原因是硅提高了碳的化 學(xué)位, 所以碳原子從有硅的側(cè)向無硅的側(cè)擴(kuò)散, 以求降低化學(xué)位.,其他引起擴(kuò)散的因素: 溫度梯度, 應(yīng)力梯度, 表面自由能差, 電場和磁場等.,舉例: AL-C合金棒彈性彎曲,并在一定溫度下加熱, 發(fā)生擴(kuò)散. 大的鋁原子向受拉伸的一邊擴(kuò)散, 小的銅原子小受壓縮 的一邊擴(kuò)散.,四. 固態(tài)擴(kuò)散的分類,(一) 根據(jù)擴(kuò)散過程中是否發(fā)生濃度變化分類

4、 自擴(kuò)散: 互擴(kuò)散:,(二) 根據(jù)擴(kuò)散方向是否與濃度梯度的方向相同進(jìn)行分類 下坡擴(kuò)散: 上坡擴(kuò)散:,(三) 根據(jù)擴(kuò)散過程中是否出現(xiàn)新相進(jìn)行分類 原子擴(kuò)散 反應(yīng)擴(kuò)散,6.2 擴(kuò)散定律,菲克第一定律 在擴(kuò)散過程中, 在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截面面積的擴(kuò)散 流量J與濃度梯度dC/dx成正比. J= -DdC/dx J為擴(kuò)散流量; D為擴(kuò)散系數(shù); 為dC/dx體積濃度梯度; 負(fù)號表示物質(zhì)的擴(kuò)散方向與濃度 梯度的方向相反. 適用范圍: 穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散 (擴(kuò)散過程中, 合金各處的濃度不隨時(shí)間(dC/dt=0)變化.),菲克第二定律 適用范圍: 非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散(擴(kuò)散過程中, 合金各處的濃度和濃度梯度隨距離

5、和時(shí)間變化.),擴(kuò)散第二定律是由第一定律推導(dǎo)出來, 它適用于一般的擴(kuò)散過程. 方程的解具有C=f (x, t )關(guān)系.,設(shè):I, II 為垂直的單位平面;J1,J2為進(jìn)出兩平面的擴(kuò)散流量;濃度 隨時(shí)間的變化率為 ; 則單元dx內(nèi)溶質(zhì)的積累速率為:,三.擴(kuò)散應(yīng)用舉例,(一) 鑄錠件的均勻退火,工業(yè)生產(chǎn)中, 采用高溫長時(shí)間均勻化退火, 通過合金中的熔質(zhì)原子擴(kuò)散, 減輕(消除)枝晶偏析.,因此,減低枝晶間距(打碎枝晶) ,提高D (提高退火溫度), 可以減少退火時(shí)間.,(二)鋼的滲碳和滲氮 (三) 金屬的粘接 1.釬焊 2.鍍鋅 3.包鋁,8.3 影響擴(kuò)散的因素,一. 溫度,溫度提高,原子震動(dòng)能提高,空位濃度提高,原子擴(kuò)散系數(shù)D提高,例如:,二.晶體結(jié)構(gòu),三.固溶體類型,固溶體類型不同, 溶質(zhì)原子的擴(kuò)散激活能不同.,間隙原子擴(kuò)散激活能 置換原子擴(kuò)散激活能,間隙原子擴(kuò)散速度 置換原子擴(kuò)散速度,例如:,例如:,四.晶體缺陷,原因：缺陷處原子排列不整齊， 晶格畸變大，能量較高，所以 原子擴(kuò)散的激活能小，原子容 易擴(kuò)散。,五.化學(xué)成分,1.加入的合金元素影響合金的熔點(diǎn)時(shí),提高熔點(diǎn)的合金元素, 降低原子擴(kuò)散系數(shù); 反之, 降低熔點(diǎn)的元素, 提高擴(kuò)散系數(shù).,原因:合金熔點(diǎn)越高, 原子間的結(jié)合力越大, 原子(溶質(zhì)或溶劑)擴(kuò)散激活