金属学与热处理(第8章)-修改.pptVIP

闫健 ,welcome,金属学与热处理,1,第八章 扩散,8.1 概述 扩散的现象 扩散的机制 扩散的条件与分类 8.2 扩散定律 8.3 扩散的影响因素,2,学习要求,1. 掌握扩散现象与机制 2. 区分稳定扩散与非稳定扩散 3. 掌握菲克第一定律，第二定律的表达式 4. 熟悉影响扩散的因素,3,8.1 概述,扩散的概念 物质中原子（分子）的迁移现象称为扩散。 气体和液体中的扩散现象容易被人们察觉，例如水盆中滴一滴墨水，很快就均匀了。在房间角落喷点香水，很快整个房间充满香味。而固态金属中也同样存在着扩散现象，原子依靠热运动不断地从一个位置移动到另一位置。 研究扩散的意义 铸件的均匀化退火、合金中的固态相变、钢的各种化学热处理等都与扩散密切相关。 半导体电子、陶瓷、储能材料等，扩散都发挥着重要作用 了解材料的微观结构变化以及控制这些过程有重要意义,4,应用举例 铸造合金消除枝晶偏析的均匀化退火 钢在加热和冷却时的一些相变 变形金属的回复与再结晶 钢的化学热处理 金属加热过程中的氧化和脱碳 粉末合金的烧结,5,Kirkendall于1947年在研究 CuZn-Cu扩散偶中发现的，故称为柯肯达尔效应。这一效应在Cu-Zn、Cu-Ni、Au-Ni、Fe-Ni等扩散偶中发现。,一、扩散现象和本质,典型的置换型固溶体中的扩散，在两种原子的扩散过程中有界面的迁移现象。,6,扩散的本质,当温度一定时，总有部分原子具有足够高的能量，能够克服势垒Q，从原来的平衡位置跃迁到相邻的平衡位置上去，这个势垒Q称为扩散激活能。,7,固态扩散是大量原子无序跃迁的统计结果 晶体的周期势场中,原子向各个方向跃迁几率相等,这样,不会产生物质传输的宏观扩散效果. 若晶体周期场的势能曲线倾斜(图),则原子自左向右跃迁的激活能为Q,自右向左的激活能为 QC.那么,原子向右跳动的几率将大于向左跳动的几率.大量原子的无序跃迁造成物质的定向迁移，即发生扩散. 扩散不是原子的定向跃迁,而是原子的随机无序跃迁,8,9,温度较高时，晶格扩散起主要作用。进行晶格扩散时，原子的迁移有以下一些方式： 1.空位机制（Vacancy diffusion） ： 温度越高，晶体中的空位越多，处于空位旁边的原子就容易跳入空位中，使原来的位置变成空位，空位不断地在晶体点阵中运动，造成物质的宏观迁移。 空位扩散机制适合于纯金属的自扩散（Self-diffusion）和置换固溶体中原子的扩散，甚至在离子化合物和氧化物中也起主要作用。在置换固溶体中，由于溶质和溶剂原子的尺寸都较大，原子不可能通过间隙进行扩散，而是通过空位进行扩散。 空位机制是FCC金属中的主要扩散机制；在BCC金属、HCP金属、离子化合物和氧化物中，也起着重要的作用。,二. 微观机制,10,Figure Diffusion mechanisms in material: (a) vacancy or substitutional atom diffusion and (b) interstitial diffusion,11,图48 面心立方晶体的空位扩散机制,12,2. 间隙机制（Interstitial diffusion） ： 间隙机制认为原子扩散是通过在点阵间隙之间的不断跳跃而实现迁移的。它适合于间隙固溶体中间隙原子的扩散。 畸变能构成了原子迁移的主要阻力。 由于间隙原子较小，间隙扩散激活能较小，扩散比较容易。 3. 换位机制： 两原子交换机制(直接换位)； 环形换位机制:； 空位机制起主导作用。,13,图49 面心立方晶体的八面体间隙及（001）晶面,图410 原子的自由能与位置之间的关系,14,图411 直接换位扩散模型,图412环形换位扩散模型 （a）面心立方4-换位 （b）面心立方4-换位 （c）体心立方4-换位,三、固态金属扩散的条件,1、驱动力条件 化学位梯度是扩散的驱动力。 2、固溶条件 扩散原子在基体金属中必须有一定的溶解度，才能够进行扩散。 3、温度 如果温度过低，扩散过程极其缓慢，实际上已经无法进行。例如钢中C原子在室温不扩散，加热到100以上，扩散才较为明显。 4、时间 由于扩散是与时间有关的过程，因此，必须有足够长的时间才能使某一扩散得以充分进行。,15,四、固态扩散的分类,1、根据扩散过程中是否发生浓度变化分类 （1）自扩散 自扩散过程不产生浓度变化，自扩散只发生在纯金属和单相固溶体中。例如纯金属的晶粒长大过程。 （2）互扩散 互扩散过程产生浓度变化，它与异类原子的浓度有关，在扩散过程中，异类原子互相扩散、渗透。,16,2、根据扩散方向是否与浓度梯度方向相同进行分类,（1）下坡扩散 沿着浓度降低的方向进行的扩散称为下坡扩散。扩散的结果使得浓度趋于均匀化，例如铸件的均匀化退火、墨水的扩散等。 （2）上坡扩散 沿着浓度升高的方向进行的扩散称为上坡扩散。,17,18,要点：扩散驱动力,化学位梯度： 多数情况下化学位梯度与浓度梯度方向一致，故看起来扩散方向顺着浓度梯度方向。 温度，应力，电磁，磁场等也可引起上坡扩散,19,3、根据扩散过程中是否出现新相进行分类 （1）原子扩散 在扩散过程中没有新相产生，称为原子扩散。 （2）反应扩散 通过扩散使固溶体的溶质组元浓度超过固溶体的极限而形成新相的过程称为反应扩散。反应扩散所形成的新相，可以是新的固溶体，也可以是各种化合物。,20,Fe在1000加热时被氧化，氧化层组织可以根据FeO相图来分析。 反应扩散的特点是在相界面处产生浓度突变，突变的浓度正好对应于相图中相的极限溶解度。用相律进行分析，在常压下，当扩散温度一定时，f=CP。 单相区: f= CP= 21= 1,说明浓度可以改变， 因此单相区中存在浓度梯度。 两相区： f=CP=22=0，意味着两相的浓度都不能改变，由于每种组元的化学位在两相区中处处相等，扩散失去了驱动力，所以，二元系的扩散层中不存在两相区。,21,22,第二节 扩散定律,一、菲克（Fick）第一定律,23,24,25,26,二。 菲克第二定律,27,C（x，t） dC/dt不为0,28,1、铸锭（件）的均匀化退火 铸态下固溶体合金由于非平衡结晶,出现枝晶偏析，采用高温长时间均匀化扩散退火,使成分均匀化. 溶质原子沿x方向的分布，可用正弦曲线方程表示：,三. 扩散应用处理,29,Cmax ：溶质原子浓度最高值，CP： 溶质浓度平均值 Cmin ：溶质原子浓度最低值 A0 :铸态合金中成分偏析的振幅.A0= Cmax - CP = CP - Cmin. ：溶质原子浓度最高点与最低点之距离，即 枝晶间距（偏析波波长）的一半。,30,合金长时间保温扩散退火时,枝晶偏析的溶质原子从高 浓度区向低浓度区扩散,随退火时间增加, 成分均匀化. 初始条件:t =0时，x=1/2 , 3/2 ；则C= Cmax , C= Cmin 边界条件:t 0时,x=0， , 2 ,C= Cp 求得正弦解： 当x=1/2 , sin(x/ )=1时, C(1/2 ,t)= Cp+,31,因为A0= Cmax- Cp，所以有 ：为偏析峰值衰减程度 实际上，想达到完全均匀化（ C=Cp）和偏析峰值衰减程度0，是不可能的。,32,设铸锭经均匀化退火后，成分偏析的振幅要求降到原来的1%，此时 即 算得，要使偏析峰值衰减程度达到偏析峰值的1%，所需退火时间为： 计算得使偏析衰减程度达到偏析峰值的1%,33,看出： 铸锭均匀化退火所需时间t与枝晶间距的平方成正比，减小原始组织中晶粒尺寸或枝晶间距离，可缩短均匀化扩散时间。 铸锭均匀化退火所需时间t与扩散系数D成反比 应用: 用快速凝固或锻打的方法以使枝晶破碎，均可使枝晶间距减小。 提高均匀化退火温度，温度越高，则扩散系数D越大，均匀化退火所需时间越短。,34,2、金属的粘接 工业粘接金属的方法如焊接、电镀、包金属、浸镀等，都是应用扩散的例子。要使金属粘接，必须发生扩散，否则就不能粘接牢固。 1）钎焊：连接金属的一种方法。,35,钎焊方法： 搭接放钎料加热到稍高于钎料熔点的温度钎料熔化并填满母材间隙钎料冷却,将零件牢固地连接起来。 钎焊特点： 钎焊时只是钎料熔化，而母材为固态。因此，要求钎料的熔点要低于母材的熔点。 要求钎料和母材不但液态时能互溶，固态时也必须互溶，依靠它们的相互扩散形成牢固的金属结合。,36,钎料与母材的扩散 两种情况:母材液态钎料和液态钎料母材 母材向液态钎料中的扩散量，除了与钎料成分有关，主要决定于加热温度和保温时间。 原因：固态金属在液体中的扩散系数远大于在固体中的。加热温度越高，时间越长，溶解量越大。母材溶解量适当，有利于提高接头强度；溶解量过大，将使钎料熔点提高，流动性变差，不能填满母材间隙，会出现熔蚀缺陷，如图。 因此，钎焊时必须严格控制 加热温度和保温时间。,37,钎缝组织可根据相图判断 若钎料与母材在相图上形成固溶体，界面区可能出现固溶组织，具有良好的强度和塑性，对接头性能有利。 如果钎料与母材的相图中存在化合物，则钎焊后的界面区中可能出现化合物，金属间化合物可使接头性能下降。 钎料：B，母材：A。,38,2 )镀锌 锌通过扩散形成锌在铁中的固溶体，还形成脆性金属间化合物，如控制不当，镀层易剥落。 镀锌工艺： 清洗钢板表面浸入450熔融的锌中若干分钟钢板表面形成镀锌层。 组织特点: 不存在两相区，浓度有突变。出现金属间化合物的镀层在弯曲时易剥落，须加以避免。 方法： 减小镀层总厚度，在熔融锌槽中加入适量铝以减少脆性金属间化合物的量，从而防止剥落。,39,3) 包铝 工业上用包铝方法提高硬铝和超硬铝板材耐蚀性。 工艺： 用纯铝包住硬铝和超硬铝板材，通过热轧将他们焊合在一起。 特点: 通过扩散完成的。 不出现脆性金属间化合物扩散层， 但铝合金中的铜过多扩散到包铝层中,损害耐蚀性。,40,3. 扩散焊，与粉末冶金介绍,扩散焊是在一定温度和压力下将种待焊物质的焊接表面相互接触，通过微观塑性变形或通过焊接面产生微量液相而扩大待焊表面的物理接触，使之距离离达(1 5)x10-8cm以内(这样原子间的引力起作用，才可能形成金属键)，再经较长时间的原子相互间的不断扩散，相互渗透，来实现冶金结合的一种焊接方法。 粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。,41,第三节 影响扩散的因素,一、温度 温度是影响扩散的最主要因素。,D0 扩散常数，E 扩散激活能，R气体常数，T温度。,42,查表，碳在-Fe中扩散时，D0=2.0X10-5m2/s，Q=140X103J/mol，已知R8.31J/(molK），算出，927和1027时碳的扩散系数分别为：,例题,43,二. 晶体结构 和键能,44,例如,Fe在912发生-Fe-Fe转变，铁的自扩散系数为： 即:-Fe的自扩散系数大约是-Fe的245倍。,45,所有元素在-Fe 的扩散系数-Fe 中的扩散系数,46,例:900时,置换原子Ni在-Fe中的扩散系数比在-Fe中约大1400倍;527时,间隙原子N在-Fe中的扩散系数比在-Fe 中约大1500倍。 表明：致密度大，扩散系数小. 原因:在密堆积点阵中的扩散比在非密堆积点阵中的慢.原子排列密度大的点阵,原子移动需要克服的原子结合力大,所需的扩散激活能大,因此,扩散系数小. 应用:渗氮温度尽量选在共析转变温度以下（590 ）,可以缩短工艺周期。,固溶体类型不同，溶质原子的扩散激活能不同。 间隙原子的扩散激活能都比置换原子的小，所以扩散速度比较大。 Q间隙Q置换，D间隙D置换 例：C、N等溶质原子在Fe中的间隙扩散激活能比Cr、Al等溶质原子在Fe中的空位扩散激活能小得多，因此，钢化学热处理时，渗碳、渗氮要比渗金属易于进行。 例：铸锭均匀化退火，C、N间隙原子易均匀化，置换型溶质原子须加热到更高温度才能均匀化。,三、固溶体类型,47,例题 : 927时， C在-Fe中的扩散常数D0=2.0X10-5m2/s，扩散激活能Q=140X103J/mol; Ni在-Fe中的扩散常数D0=4.4X10-5m2/s，扩散激活能Q=283X103J/mol; 其扩散系数D分别为: 表明:间隙原子C的扩散系数远大于置换原子Ni的.,48,四.晶体缺陷,在金属及合金中，扩散可在晶内、外表面、晶界、相界及位错线进行。 1、表面扩散最快，晶界次之，亚晶界又次之，晶内扩散最慢。 原因：晶界处的晶格畸变较大，能量较高，所以其扩散激活能要比晶内的小，原子易于扩散迁移（测量结果是晶内的0.60.7)金属外表面的扩散激活能比晶界的还要小。,49,2、位错、空位等缺陷处比完整晶体内部扩散容易 原因:位错线是晶格畸变的管道，互相联通，形成网络。位错密度增加，晶体中扩散速度加快。 例如：冷加工后金属中的扩散速度比退火金属中的大，位错的影响是一个因素。,50,五、化学成分,在金属或合金中加入第二或第三元素时，会对扩散产生影响，促进或减慢扩散，总结出： 1加入的合金元素影响合金熔点 当加入的合金元素使合金熔点或使液相线温度降低时，扩散系数增加；