北航物理冶金原理5-扩散

固体金属中的扩散DiffusioninMetallicSolids,热力学Thermodynamics动力学Kinetics,质量传输MassTransfer,Diffusion扩散Convection对流,固体金属中扩散现象,扩散的基本概念,固体金属中原子的扩散：在浓度梯度（化学位梯度）驱动下、通过原子的热激活作用（系统能量起伏、大量原子的无规则跃迁）、发生的宏观物质定向传输现象驱动力：化学位梯度（浓度梯度）扩散机制：原子的热激活（ThermalActivation）,热激活过程ThermalActivationProcess,扩散激活能,温度必须足够高：能量起伏、热激活过程时间足够长：大量原子微观上无规则跃迁、物质的定向传输扩散原子在溶质中须固溶扩散必须有驱动力（浓度梯度、化学位梯度、应变能梯度、表面能梯度）,固体中原子扩散的条件,材料合成、加工制备、使用过程就是控制扩散的过程：固态相变与热处理过程：完全依靠原子扩散凝固加工（铸造、焊接、.)材料热加工（热锻、热轧、热挤压,)材料的高温力学性能与氧化、腐蚀性能：粉末冶金烧结：表面化学热处理与表面渗工艺，扩散连接,.,扩散对材料科学与工程的意义,低碳钢的渗碳处理,C%,金属材料渗铝、渗硅、渗铬.半导体的掺杂，.,M%,SinteringandDensificationofPowders粉末的烧结与致密化,扩散连接-DiffusionBonding,扩散的宏观规律,菲克第一定律FicksFirstLaw当浓度梯度为常数时（dc/dx=const.）J=D(dc/dx)扩散通量J：g/cm2.s扩散系数D:cm2/sDDoexp(-Q/RT),菲克第二定律FicksSecondLaw,菲克第二定律FicksSecondLaw,扩散系数,D=Doe-Q/kTLnD=lnDoQ/kT,扩散激活能及其实验求法,D=Doe-Q/RTLnD=lnDoQ/RT,LnDo,1/T,LnD,斜率k=Q/R求出Q,几种典型扩散现象,下坡扩散Down-HillDiffusion：上坡扩散Up-HillDiffusion:,Down-HillDiffusionDA,DB,Up-HillDiffusion上坡扩散过炮和固溶体的调幅分解,Kirkendall效应（KirkendallEffect）,MolybdenumWireCopperBrass（Cu-ZnAlloy）DZnDcu,扩散的微观机制（MechanismsofDiffusion）,VacancyMechanism:DiffusionofSubstitutionalSoluteAtoms空位机制：置换式溶质原子（置换式原子的扩散就是空位的反向运动）,空位机制：置换式溶质原子（置换式原子的扩散就是空位的反向运动）,间隙机制：间隙溶质原子InterstitialMechanism:DiffusionofInterstitialAtoms,间隙机制：间隙溶质原子,扩散激活能Q：较置换式原子小得多,位错、层错、晶界、相界、表面,面缺陷(晶界、相界、表面):溶质原子扩散的快速通道,晶内、晶界及表面扩散系数,晶内、晶界及表面扩散系数,影响扩散的因素：D=Doexp(-Q/RT),温度：D=Doexp(-Q/RT)扩散元素性质：熔点、原子间结合力，同溶剂原子间的原子尺寸差、化学亲和力等熔点越高扩散激活能越大扩散系数越小原子间结合力越强扩散激活能越大扩散系数越小原子尺寸差越小晶格奇变越小扩散系数越小化学亲和力越高（原子间结合力越强）扩散激活能越大扩散系数越小,影响扩散的因素,溶剂金属性质：晶体结构、熔点、结合能晶体结构致密度越高（BCC与FCC相差1500倍)原子扩散激活能越高、扩散系数越小熔点越高（原子间结合力越强）扩散激活能越大扩散系数越小与溶质原子化学亲和力越高（原子间结合力越强）扩散激活能越大扩散系数越小同溶质原子的尺寸差越小晶格奇变越小扩散系数越小,元素原子自扩散激活能与元素熔点的关系,Q=k.Tm,元素原子自扩散激活能与元素熔点的关系,Q=k.Tm,晶体结构的影响,影响扩散的因素,晶体缺陷密度：空位浓度:过饱和空位（固溶后不能停留太长时间）位错及层错密度：是扩散的快速通道晶界（晶粒尺寸）:纳米材料（表面纳米化渗氮）相界:表面曲率：曲率半径越小、表面自由能越高、扩散驱动力越大（粉末冶金烧结、小晶粒缩小大晶粒长大）其他合金元素的影响：或增加或减小或无影响溶质浓度：,钢中：Si、Co等非碳化物形成元素显著提高碳的活度提高碳的扩散系数钢中：Ti、Mo、Cr、V、W等强碳化物形成元素显著降低碳的活度显著降低碳的扩散系数,扩散在材料制备加工及使用过程中的作用及重要性,控制扩散过程即控制材料的动力学过程，是控制材料组织、提高材料性能与制备新材料的基础！,材料制备、加工与成形过程（合金冶炼、熔炼合金化、铸造、