六 金属及合金的扩散PPT课件

.,1,第六章金属及合金的扩散,.,2,扩散:物质中原子（或分子）的迁移现象，是在右浓度梯度、化学位梯度、应力梯度或其他梯度存在的条件下，借助热运动引起物质的宏观定向输送过程。原子的微观运动会引起物质的宏观流动,气体和液体的扩散易察觉.,高碳含量区域,低碳含量区域,碳的扩散方向,Fe-C合金,扩散现象,扩散方向是自浓度高的方向向浓度低的方向进行，直至各处浓度均匀为止.,.,3,扩散定律,菲克第一定律,将溶质浓度不均匀的固溶体合金棒加热到高温，则溶质原子将从浓度较高一端向浓度较低一端扩散，并沿长度方向形成浓度梯度.,如在扩散过程中各处浓度C只随距离X变化，不随时间t变化，则单位时间通过单位垂直截面的扩散流量J对于各处都相等。即：每一时刻从左边扩散来多少原子，就向右边扩散走多少原子，没有盈亏，浓度不随时间变化，这种扩散称稳定态扩散。,.,4,菲克第一定律,J-扩散流量，表示扩散物质流过单位截面速度；D-扩散系数,反映扩散速度的物理量,是单位浓度梯度时的扩散流量，D值越大,扩散越快;：组元沿着扩散方向的体积浓度梯度;负号：表示扩散流方向与浓度梯度方向相反;,.,5,菲克第二定律非稳定态扩散:在扩散过程中，各处的浓度梯度不仅随距离x变化，而且随时间t变化。,.,6,把Cu、Ni棒对焊，在焊接面上镶嵌上钨丝作为界面标志。加热到高温并保温，界面标志钨丝向纯Ni一侧移动了一段距离.柯肯达尔效应:置换互溶组元所构成的扩散偶中,由于两种原子以不同速度相对扩散,扩散通量不相等造成标记面漂移的现象.,固态扩散的实验(柯肯达尔效应),.,7,固态金属中原子的跃迁金属晶体中的原子按一定规律呈周期性重复排列，每个原子都处于周期性规律变化的结合能曲线的势能谷中，相邻原子间都隔着一个势垒Q。,原子时刻进行着热振动，振动能量与温度有关。当温度不变时，存在着能量起伏。能量起伏的存在使部分原子具有足够高的能量,跨越势垒,由原来平衡位置跃迁到相邻平衡位置。只要热力学温度不是零度，原子就有热振动，依靠能量起伏被热激活，以进行迁移。,.,8,固态扩散是大量原子无序跃迁的统计结果,原子向各个方向跃迁几率相等,则可得原子无规则运动的位移：,：平均位移；n:原子跳动次数；r：每次跳动的位移；,.,9,对于不同晶体结构的金属材料，原子的跳动方式不同，故扩散机理随晶体结构的不同而变化。原因:扩散不仅由原子的热运动所控制，还受具体的晶体结构制约。扩散需具备的条件:能量条件与结构条件扩散模型(按照原子的跳动方式分)间隙扩散机理交换和轮换扩散机理空位扩散机理,扩散机理,.,10,定义：原子在点阵间隙位置间跃迁导致的扩散。间隙固溶体中,溶质原子从其所占间隙位置跳到邻近另一个空着的间隙位置;置换固溶体中,溶质或溶剂原子从原来所占据的平衡位置跳到间隙位置，再跳到邻近其他间隙位置;,间隙扩散机理,.,11,实现间隙扩散的条件:结构条件:扩散原子周围具备几何间隙位置;能量条件:克服跳动时周围阵点原子的阻力;,间隙固溶体中,溶质原子占据的间隙位置很少,大部分是空的,可供间隙原子跳动,间隙扩散可能性大.,置换固溶体中,原子尺寸大,间隙很小,处于平衡位置的原子要跳入很小的间隙位置,且还要通过两个原子之间更小的间隙跳到另一个间隙位置.,.,12,置换原子的两种间隙扩散模型,顶替式:原子跳入间隙后,再进行跳动时,不是跳入另外的间隙中,而是将临近的处于正常位置的原子推到间隙中,它自己则重新占据这个空下的正常位置,如此反复进行,就会不断地发生扩散.因此,间隙机理所需能量更低.,挤列式:由一系列原子占据的线段内多挤入了一个原子而组成一系列挤压的原子,几列在晶体点阵中运动引起扩散.,.,13,在纯金属或置换固溶体中，原子可以通过换位进行扩散.直接换位扩散机制:两原子交换位置时须同时起跳,点阵畸变很大,需要克服很高的能垒,很难.环形换位模型:显然环形旋转换位方式引起的晶格畸变要小得多,故这种扩散机理是可能的.,换位扩散机理,.,14,定义：通过扩散原子与空位交换位置来实现物质的宏观迁移。空位的存在，使周围邻近原子偏离平衡位置，势能升高，从而使原子跳入空位所需跨越的势垒高度降低，相邻原子就易于向空位跳动。温度越高，空位越多，金属中原子的扩散越易。,空位扩散机理,空位扩散是固态金属最可能采取的扩散机制,.,15,扩散激活能,空位激活能空位扩散激活熵原子跳动频率,激活能增大，原子跳动频率减小扩散速度随之减小；反之，扩散加快。,.,16,.,17,1、温度要足够高固态扩散依靠原子迁移而进行。温度越高，原子热振动越激烈，被激活而迁移的几率越大。只要热力学温度不是零，总有部分原子被激活而迁移。温度低时，原子被激活的几率很低，表现不出物质输送的宏观效果，好象扩散过程被“冻结”。,固态金属扩散的条件,其中Do称为频率因子，Q称为扩散活化能。,扩散系数,.,18,原子在晶体中跃迁一次最多移动0.3-0.5nm的距离，扩散1mm的距离须跃迁亿万次。且原子跃迁的过程是随机的，所以，只有经过很长时间才能造成物质的宏观定向迁移。,3、扩散原子要固溶扩散原子在基体金属中必须有一定固溶度，溶入基体晶格形成固溶体，才能进行固态扩散。例1：在水中滴墨水，可很快扩散均匀.但在水中滴油，放置多久也不扩散均匀。例2：铅不能固溶于铁，故钢可以在铅浴中加热，获得光亮清洁表面，不用担心铅粘附钢材表面。,2、时间要足够长,.,19,固态扩散的分类,根据扩散方向与浓度梯度方向相同与否分类下坡扩散沿着浓度降低的方向进行的扩散，使浓度趋于均匀化。,4、扩散要有驱动力扩散过程是在驱动力作用下进行的，扩散的驱动力不是浓度梯度,而是化学位梯度。原因：一些扩散过程沿着浓度降低的方向进行，使浓度趋于均匀化，而另一些扩散过程是沿着浓度升高的方向进行。,上坡扩散沿着浓度升高的方向进行的扩散，即由低浓度向高浓度方向扩散，使浓度发生两极分化。,.,20,根据扩散过程中是否发生浓度变化分类自扩散：不伴有浓度变化的扩散，与浓度梯度无关，只发生在纯金属和均匀固溶体中。例:纯金属的晶粒长大是大晶粒吞并小晶粒。晶界移动，原子由小晶粒向大晶粒迁移，无浓度变化。互扩散：伴有浓度变化的扩散，与异类原子的浓度差有关。扩散过程中，异类原子相对扩散，互相渗透，故又称“异扩散”或“化学扩散”。,根据扩散过程中是否出现新相进行分类原子扩散在扩散过程中基体晶格始终不变,没有新相产生，称为原子扩散。,.,21,反应扩散通过扩散，使固溶体内溶质组元浓度超过固溶度极限而不断形成新相的过程.(属于一种相变扩散)反应扩散形成的新相，可以是新的固溶体,也可以是各种化合物。,例：铁在1000加热时被氧化，氧化层组织如图，由表向内依次为：Fe2O3、Fe3O4、FeO、Fe,.,22,1、温度,影响扩散的因素,温度是影响扩散系数的最主要因素。,D与T呈指数关系变化，随温度升高，扩散系数急剧增大。,温度越高，原子振动能越大，借助能量起伏而越过势垒迁移的原子几率越大。温度升高，金属内部空位浓度提高，有利于扩散。,.,23,2、晶体结构不同晶体结构具有不同扩散系数。,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.,3、固溶体类型固溶体类型不同，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。,在某些晶体结构中，原子扩散还具有各向异性的特点。如密排六方结构的锌，在340-410范围内加热时，垂直于Z轴方向的扩散系数要比平行Z轴方向的扩散系数大200倍。,.,24,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；金属外表面的扩散激活能比晶界的还要小。,.,25,（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，晶体中扩散速度加快。,5、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。（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；反之，扩散系数降低。原因：溶剂或溶质原子的扩散激活能与点阵中的原子间结合力有关。金属或合金的熔点越高，则原子间的结合力越强，而扩散激活能正比于原子间结合力.所以当固溶体浓度增加导致合金的熔点下降时，合金的