金属学与热处理第八章_扩散

1、第八章 材料中的扩散rr扩散扩散: :物质中原子（或分子）的迁移现象，它是物物质中原子（或分子）的迁移现象，它是物质传输的一种方式质传输的一种方式. . 原子的微观运动会引起物质的宏观流动原子的微观运动会引起物质的宏观流动, ,气体和液气体和液体的扩散易察觉体的扩散易察觉. . 固态金属中同样存在扩散现象固态金属中同样存在扩散现象, ,且扩散是固体中物且扩散是固体中物质传递的唯一方式质传递的唯一方式. . 扩散是金属中的一个重要现象，是金属学的一个扩散是金属中的一个重要现象，是金属学的一个重要领域，它与金属的加工、使用性能间存在密重要领域，它与金属的加工、使用性能间存在密切关系切关系. .材料

2、中的扩散材料中的扩散r r 应用举例应用举例u u 铸造合金消除枝晶偏析的均匀化退火铸造合金消除枝晶偏析的均匀化退火u u 钢在加热和冷却时的一些相变钢在加热和冷却时的一些相变u u 变形金属的回复与再结晶变形金属的回复与再结晶u u 钢的化学热处理钢的化学热处理第一节第一节概述概述一、扩散现象一、扩散现象 气体和液体中的气体和液体中的扩散现象扩散现象 例如：鲜花的芬芳，糖水的例如：鲜花的芬芳，糖水的甜味甜味 由物质的原子或分子迁移造成由物质的原子或分子迁移造成, ,是是物质传输的结果。扩物质传输的结果。扩散方向是自浓度高的方向向浓度低的方向进行，直至散方向是自浓度高的方向向浓度低的方向进行，

3、直至各处浓度均匀为止各处浓度均匀为止. . 固态物质中的扩散现象固态物质中的扩散现象 金属结晶时金属结晶时, ,液态金属原液态金属原子向固态晶核的迁移子向固态晶核的迁移, ,再结晶再结晶晶粒长大晶粒长大, ,钢的渗碳钢的渗碳, ,金属的焊接等金属的焊接等 固体中的扩散速率十分缓慢，但确实存在。固体中的扩散速率十分缓慢，但确实存在。rr固态扩散的实验固态扩散的实验( (柯肯达尔效应柯肯达尔效应) ) 把把CuCu、NiNi棒对焊，在焊接面上镶嵌上钨丝作为棒对焊，在焊接面上镶嵌上钨丝作为界面标志。加热到高温并保温，界面标志钨丝界面标志。加热到高温并保温，界面标志钨丝向纯向纯NiNi一侧移动了一段距

4、离一侧移动了一段距离. . 柯肯达尔效应柯肯达尔效应: :置换互溶组元所构成的扩散偶中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由于两种原子以不同速度相对扩散, ,扩散通量不扩散通量不相等造成标记面漂移的现象相等造成标记面漂移的现象. .rr固态金属中原子的跃迁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，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相邻原子间都隔着一个势垒Q,Q,因此它们不会合并，也很因此它们不会合并，也很难

5、换位。难换位。 但是，原子时刻进行着热振动，振动能量与温度有关。但是，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。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能量起伏的存在使部分原子具有足够高的能量, ,跨越势跨越势垒垒, ,由原来平衡位置跃迁到相邻平衡位置。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，以进行扩散迁移。起伏被热激活，以进行扩散迁移。 温度越高，原子迁移的几率越大。温度越高，原子迁移的几率越大。rr固态扩散是大量原子无序跃迁

6、的统计结果固态扩散是大量原子无序跃迁的统计结果 晶体的周期势场中晶体的周期势场中, ,原子向各个方向跃迁几率相等原子向各个方向跃迁几率相等, ,这这样样, ,不会产生不会产生物质传输的物质传输的宏观扩散效果宏观扩散效果. . 若晶体周期场的势能曲线倾斜若晶体周期场的势能曲线倾斜( (图图),),则原子自左向右跃则原子自左向右跃迁的激活能为迁的激活能为Q,Q,自右向左的激活能为自右向左的激活能为 Q QC.C.那么那么, ,原原子向右跳动的几率将大于向左跳动的几率子向右跳动的几率将大于向左跳动的几率. .大量原子的大量原子的无序跃迁造成无序跃迁造成物质的定向迁移物质的定向迁移，即发生，即发生扩散

7、扩散. . 扩散不是原子的定向跃迁扩散不是原子的定向跃迁, ,而是原子的随机无序跃迁而是原子的随机无序跃迁二二 、扩散机理、扩散机理 对于不同晶体结构的金属材料，原子的跳动方式不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。同，故扩散机理随晶体结构的不同而变化。原因原因: :扩散不仅由原子的热运动所控制，还受具体的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。晶体结构制约。 扩散需具备的条件扩散需具备的条件: :能量条件与结构条件能量条件与结构条件 扩散模型扩散模型( (按照单原子的跳动方式分按照单原子的跳动方式分) )空位扩散机理空位扩散机理间隙扩

8、散机理间隙扩散机理1 1 空位扩散机理空位扩散机理rr定义：通过扩散原子与空位交换位置来实现物质的定义：通过扩散原子与空位交换位置来实现物质的宏观迁移。宏观迁移。rr空位的存在，使周围邻近原子偏离平衡位置，势能空位的存在，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容易。越多，金属中原子的扩散越容易。rr空位扩散是固态金属最可能采取的扩散机制空位扩散是固态金属最可能采取的扩散机制 基于柯肯达尔效应，以及实际晶

9、体结构中存在着一基于柯肯达尔效应，以及实际晶体结构中存在着一定数量点阵空位的事实，空位扩散可能是置换固溶体定数量点阵空位的事实，空位扩散可能是置换固溶体的互扩散和纯金属的自扩散唯一采取的方式。的互扩散和纯金属的自扩散唯一采取的方式。2.2.间隙扩散机理间隙扩散机理rr定义：扩散原子在点阵间隙位置间跃迁导致的扩散。定义：扩散原子在点阵间隙位置间跃迁导致的扩散。 间隙固溶体中间隙固溶体中, ,溶质原子从其所占间隙位置跳到邻近另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一个空着的间隙位置 置换固溶体中置换固溶体中, ,溶质或溶剂原子从原来所占据的平衡位溶质或溶剂原子从原来所占据的平衡位置跳

10、到间隙位置，再跳到邻近其他间隙位置置跳到间隙位置，再跳到邻近其他间隙位置. .rr实现间隙扩散的条件实现间隙扩散的条件: : 结构条件结构条件: :扩散原子周围具备几何间隙位置扩散原子周围具备几何间隙位置 能量条件能量条件: :克服跳动时周围阵点原子的阻力克服跳动时周围阵点原子的阻力rr间隙固溶体中间隙固溶体中, ,溶质原子占据的间隙位置很少溶质原子占据的间隙位置很少, ,大部分大部分是空的是空的, ,可供间隙原子跳动可供间隙原子跳动, ,间隙扩散可能性大间隙扩散可能性大. .rr对置换固溶体对置换固溶体, ,原子尺寸大原子尺寸大, ,间隙很小间隙很小, ,处于平衡位置的处于平衡位置的原子要跳

11、入很小的间隙位置原子要跳入很小的间隙位置, ,且还要通过两个原子之间更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，很难小的间隙跳到另一个间隙位置，很难. .1 1、扩散要有驱动力、扩散要有驱动力uu扩散过程是在驱动力作用下进行的，扩散的驱动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力不是浓度梯度, ,而是化学位梯度。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，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。度升高的方向进行。因此，浓度梯度并不是导致扩散的本质原因。

12、因此，浓度梯度并不是导致扩散的本质原因。uu从热力学来看，等温等压条件下，不管浓度梯度从热力学来看，等温等压条件下，不管浓度梯度如何，组元原子总是从化学位高处自发转移到化如何，组元原子总是从化学位高处自发转移到化学位低处，当每种组元的化学位在系统中各点都学位低处，当每种组元的化学位在系统中各点都相等时，达到动态平衡。相等时，达到动态平衡。三、固态金属扩散的条件三、固态金属扩散的条件2 2、扩散原子要固溶、扩散原子要固溶uu扩散原子在基体金属中必须有一定固溶度，溶入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。基体晶格形成固溶体，才能进行固态扩散。uu例例1 1

13、：在水中滴墨水，可很快扩散均匀：在水中滴墨水，可很快扩散均匀. .但在水中但在水中滴油，放置多久也不扩散均匀。滴油，放置多久也不扩散均匀。uu例例2 2：铅不能固溶于铁，故钢可以在铅浴中加热，：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。获得光亮清洁表面，不用担心铅粘附钢材表面。3 3、温度要足够高、温度要足够高uu固态扩散依靠原子热激活而进行。温度越高，原子热固态扩散依靠原子热激活而进行。温度越高，原子热振动越激烈，被激活而迁移的几率越大。振动越激烈，被激活而迁移的几率越大。uu只要热力学温度不是零，总有部分原子被激活而迁移。只要热力学温度不是零，总有部分

14、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，好象扩散过程被送的宏观效果，好象扩散过程被“冻结冻结”，不同物质扩散，不同物质扩散“冻结冻结”的温度不同。的温度不同。uu如如, ,碳原子在室温下的扩散极其微弱，碳原子在室温下的扩散极其微弱，100100以上时较以上时较显著，而铁原子须在显著，而铁原子须在500500以上才能扩散。以上才能扩散。4 4、时间要足够长、时间要足够长uu原原 子子 在在 晶晶 体体 中中 跃跃 迁迁 一一 次次 最最 多多 移移 动动 0.3-0.5nm0.3-0.5nm的的 距离，扩散距离，

15、扩散1mm1mm的距离须跃迁亿万次。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。时间才能造成物质的宏观定向迁移。uu应用应用: :快速冷却到低温，原子来不及被激活，使扩快速冷却到低温，原子来不及被激活，使扩散过程散过程“冻结冻结”，就可以保持，就可以保持高温下的状态。高温下的状态。uu举例举例四、固态扩散的分类四、固态扩散的分类1 1、根据扩散过程中是否发生浓度变化分类、根据扩散过程中是否发生浓度变化分类rr自扩散：不伴有浓度变化的扩散，与浓度梯度无关，自扩散：不伴有浓度变化的扩散，与浓度梯度无

16、关，只发生在纯金属和均匀固溶体中。只发生在纯金属和均匀固溶体中。uu例例: :纯金属的晶粒长大是大晶粒吞并小晶粒。晶界移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。动，原子由小晶粒向大晶粒迁移，无浓度变化。uu例例: :均匀固溶体的晶粒长大均匀固溶体的晶粒长大, ,也不发生浓度的变化也不发生浓度的变化. .rr互扩散：伴有浓度变化的扩散，与异类原子的浓度差互扩散：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，有关。扩散过程中，异类原子相对扩散，互相渗透，故又称故又称“异扩散异扩散”或或“化学扩散化学扩散”。2 2、根

17、据扩散方向与浓度梯度方向相同与否分类、根据扩散方向与浓度梯度方向相同与否分类rr下坡扩散下坡扩散uu沿着浓度降低的方向进行的扩散，使浓度趋于均匀沿着浓度降低的方向进行的扩散，使浓度趋于均匀化。化。uu例例: :铸锭的均匀化退火、渗碳、渗金属等。铸锭的均匀化退火、渗碳、渗金属等。rr上坡扩散上坡扩散uu沿着浓度升高的方向进行的扩散，即由低浓度向高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。浓度方向扩散，使浓度发生两极分化。uu例例: :将含碳量相近的碳钢与硅钢对焊，高温加热，发将含碳量相近的碳钢与硅钢对焊，高温加热，发现：碳由低浓度一侧向高浓度一侧扩散，发生上坡

18、现：碳由低浓度一侧向高浓度一侧扩散，发生上坡扩散，扩散的驱动力为化学位梯度。扩散，扩散的驱动力为化学位梯度。rr上坡扩散的驱动力也可以是弹性应力梯度、电位梯上坡扩散的驱动力也可以是弹性应力梯度、电位梯度或温度梯度。度或温度梯度。如图如图, ,将均匀的单相固溶体将均匀的单相固溶体Al-CuAl-Cu合金方棒加以弹性合金方棒加以弹性弯曲，在一定温度下加热后弯曲，在一定温度下加热后, ,发生上坡扩散。发生上坡扩散。上坡扩散的驱动力上坡扩散的驱动力: :应力梯度应力梯度3 3、根据扩散过程中是否出现新相进行分类、根据扩散过程中是否出现新相进行分类rr原子扩散原子扩散定义：在扩散过程中基体晶格始终不变定

19、义：在扩散过程中基体晶格始终不变, ,没有新没有新相产生，称为原子扩散。相产生，称为原子扩散。rr反应扩散反应扩散定义：通过扩散，使固溶体内溶质组元浓度超过定义：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固溶度极限而不断形成新相的过程.(.(属于一种相属于一种相变扩散变扩散) )反应扩散形成的新相，可以是新的固溶体反应扩散形成的新相，可以是新的固溶体, ,也可也可以是各种化合物。以是各种化合物。r r 参考相图对新相进行分析参考相图对新相进行分析例如例如: :铁在铁在10001000加热时被氧化，氧化层组织如图，由加热时被氧化，氧化层组织如图，由表向内依次为：表向内依次

20、为：FeFe2 2O O3 3、 FeFe3 3O O4 4、 FeOFeO、 FeFerr反应扩散的特点反应扩散的特点: : 在相界面处产生浓度突变，浓度正好对应于相图中在相界面处产生浓度突变，浓度正好对应于相图中相的极限溶解度。相的极限溶解度。 原因：（可用相律原因：（可用相律F=C-P+1F=C-P+1解释）解释） 扩散温度一定，扩散温度一定， F=C-PF=C-P，在单相区，在单相区，F=2-1=1F=2-1=1，自由，自由度为度为1 1，即单相区浓度可变，存在浓度梯度，即单相区浓度可变，存在浓度梯度 在两相区，在两相区，F=2-2=0F=2-2=0，即各相的浓度不能改变，其大，即各相

21、的浓度不能改变，其大小分别相当于与其相邻的单相区浓度。小分别相当于与其相邻的单相区浓度。 每个组元的化学位在两相区中的各点都相等，不存每个组元的化学位在两相区中的各点都相等，不存在化学位梯度，扩散失去了驱动力，因此，二元系在化学位梯度，扩散失去了驱动力，因此，二元系的扩散层中不可能存在两相区。的扩散层中不可能存在两相区。第二节第二节扩散定律扩散定律 一、菲克第一定律（研究扩散现象的宏观规律一、菲克第一定律（研究扩散现象的宏观规律）r r 将两根不将两根不同溶质浓度的固溶体合金棒对焊，加热同溶质浓度的固溶体合金棒对焊，加热到高温，则溶质原子将从浓度较高一端向浓度较低到高温，则溶质原子将从浓度较高

22、一端向浓度较低一端扩散，并沿长度方向形成浓度梯度一端扩散，并沿长度方向形成浓度梯度. .rr如在扩散过程中各处如在扩散过程中各处浓度浓度C C只随只随距离距离X X变化，不随变化，不随时时间间t t变化，则单位时间通过单位垂直截面的扩散流量变化，则单位时间通过单位垂直截面的扩散流量J J对于各处都相等。对于各处都相等。rr即：每一时刻从左边扩散来多少原子，就向右边扩即：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。扩散称稳定态扩散。 18851885年，菲克进行了固态原子从高浓度向低浓度的扩

23、年，菲克进行了固态原子从高浓度向低浓度的扩散实验，表明：单位时间内通过垂直于扩散方向的单散实验，表明：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散流量与该截面处的浓度梯度成正比。位截面积的扩散流量与该截面处的浓度梯度成正比。 称菲克第一定律，其数学表达式称扩散第一方程：称菲克第一定律，其数学表达式称扩散第一方程： J J：扩散流量，扩散物质流过单位截面速度；：扩散流量，扩散物质流过单位截面速度； D D：扩散系数：扩散系数, ,反映扩散速度的物理量反映扩散速度的物理量, ,是单位浓度梯是单位浓度梯度时的扩散流量，度时的扩散流量，D D值越大值越大, ,扩散越快。扩散越快。 负号：表示扩散流方

24、向与浓度梯度方向相反负号：表示扩散流方向与浓度梯度方向相反dx dC ：体：体积浓度梯度，积浓度梯度，xddCDJrr扩散第一定律的说明扩散第一定律的说明: :uu描述溶质原子的宏观移动与其浓度梯度的关系描述溶质原子的宏观移动与其浓度梯度的关系uu将金属看作连续介质，建立微分方程求解，不涉将金属看作连续介质，建立微分方程求解，不涉及金属内部的原子过程及金属内部的原子过程. .rr适用范围适用范围: :uu稳态扩散，即在一定区域内，浓度和稳态扩散，即在一定区域内，浓度和浓度梯度浓度梯度不不随时间变化，不考虑时间因素对扩散的影响随时间变化，不考虑时间因素对扩散的影响. .uu但实际上稳态扩散的情况

25、很少，大部分属于非稳但实际上稳态扩散的情况很少，大部分属于非稳定态扩散，需要应用菲克扩散第二定律。定态扩散，需要应用菲克扩散第二定律。 二、菲克第二定律二、菲克第二定律 非稳定态扩散非稳定态扩散: :在扩散过程中，各处的在扩散过程中，各处的浓度梯浓度梯度度不不仅随仅随距离距离x x变化，而且随变化，而且随时间时间t t变化。变化。 描述非稳定态扩散中各截面浓度梯度与距离描述非稳定态扩散中各截面浓度梯度与距离x x和时和时间间t t间间的关系，要建立偏微分方程。的关系，要建立偏微分方程。 方法方法: :在扩散通道中取相距在扩散通道中取相距dxdx的两个垂直于的两个垂直于X X轴的平面轴的平面,

26、,割割取一微小体积进行质量平衡取一微小体积进行质量平衡运算运算, ,即该微小体积中的物质即该微小体积中的物质增加率等于流入和流出该体增加率等于流入和流出该体积的流量差。积的流量差。 故物质的积存速率= 而物质的积存速率也可用体积浓度C的变化率表示,则微小体积Adx内物质积存速率为(2)(3)AdxCt(CAdx)tr(微小体积中积存物质量)=(流入-流出)物质量r设两平面截面积均为A，在某一时间间隔内流入和流出微小体积的物质扩散流量为J1和J2。J DdC/dxx（2 2）式与（）式与（3 3）式联立，得到）式联立，得到将将即为菲克第二定律即为菲克第二定律. .若扩散系数若扩散系数D D与浓度

27、无关与浓度无关, ,为常数为常数, ,则则(4)Jx Ct代入（代入（4 4）式）式, ,(6) 2 C2 D写为写为： Ct D t x(6)三、扩散应用举例r扩散第二定律普遍适用于一般的扩散过程。r扩散方程是偏微分方程，不能直接应用，必须结合实际的扩散过程，运用具体的起始条件和边界条件，求解后才能应用。二定律是以浓度C为因变量，以距离x和时间t为自变量得偏微分方程，方程的解由解析式Cf（x，t） 给出.2r从 C 2 C 式可知,扩散第 1、铸、铸锭（件）的均匀化退火锭（件）的均匀化退火rr铸态下固溶体合金由于非平衡结晶铸态下固溶体合金由于非平衡结晶,出现枝晶偏析，出现枝晶偏析，采用高温长

28、时间均匀化扩散退火采用高温长时间均匀化扩散退火,使成分均匀化使成分均匀化.rr溶质原子沿溶质原子沿x方向的分布，可用正弦曲线方程表示：方向的分布，可用正弦曲线方程表示：(7)xC x C p + + A0 sinCmax：溶质原子浓度最高值，溶质原子浓度最高值，CP： 溶质浓度平均值溶质浓度平均值Cmin ：溶质原子浓度最低值溶质原子浓度最低值A0 :铸态合金中成分偏析的振幅铸态合金中成分偏析的振幅.A0= Cmax - CP = CP - Cmin.：溶：溶质原子浓度最高点与最低点之距离，即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。枝晶间距（偏析波波长）的一半。r r

29、合金长时间保温扩散退火时合金长时间保温扩散退火时,枝晶偏析的溶质原子从高枝晶偏析的溶质原子从高浓浓度区向低浓度区扩散度区向低浓度区扩散,随退火时间增加随退火时间增加, 成分均匀化成分均匀化.r r 初始条件初始条件:t =0时，时，x=1/2 , 3/2 ；则；则C= Cmax , C= Cminr r 边界条件边界条件:t 0时时,x=0， , 2 ,C= Cpr r 求得正弦解：求得正弦解：rr当当x=1/2 , sin(x/ )=1时时,C(1/2 ,t)= Cp+rr因为因为A0= Cmax- Cp，所以有，所以有：为偏析峰值衰减程度：为偏析峰值衰减程度rr实际上，想达到完全均匀化（实

30、际上，想达到完全均匀化（ C=Cp）和偏析峰）和偏析峰值衰减程度值衰减程度0，是不可能的。，是不可能的。设铸锭经均匀化退火后，成分偏析的振幅要求降到设铸锭经均匀化退火后，成分偏析的振幅要求降到原来的原来的1%1%，此时，此时即即算得，要使偏析峰值衰减程度达到偏析峰值的算得，要使偏析峰值衰减程度达到偏析峰值的1%1%，所需退火时间为：所需退火时间为：计算得使偏析衰减程度达到偏析峰值的计算得使偏析衰减程度达到偏析峰值的1%1%rr看出：看出：uu铸锭均匀化退火所需时间铸锭均匀化退火所需时间t t与枝晶间距与枝晶间距的平方成的平方成正比，减小原始组织中晶粒尺寸或枝晶间距离，正比，减小原始组织中晶粒尺

31、寸或枝晶间距离，可缩短均匀化扩散时间。可缩短均匀化扩散时间。uu铸锭均匀化退火所需时间铸锭均匀化退火所需时间t t与扩散系数与扩散系数D D成反比成反比rr应用应用: :uu用快速凝固或锻打的方法以使枝晶破碎，均可使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。枝晶间距减小。uu提高均匀化退火温度，温度越高，则扩散系数提高均匀化退火温度，温度越高，则扩散系数D D越越大，均匀化退火所需时间越短。大，均匀化退火所需时间越短。 2 2、金属的粘接、金属的粘接 工业粘接金属的方法如焊接、电镀、包金属、浸镀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

32、发等，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。生扩散，否则就不能粘接牢固。 1 1）钎焊：钎焊：连接金属的一种方法。连接金属的一种方法。rr钎焊方法：钎焊方法：搭接搭接 放钎放钎料料 加热到稍高于钎加热到稍高于钎料熔点的温度料熔点的温度钎料熔化并填满母材间隙钎料熔化并填满母材间隙钎料冷却钎料冷却, ,将零件将零件牢固地连接起来。牢固地连接起来。rr钎焊特点：钎焊特点：uu钎焊时只是钎料熔化，而母材为固态。因此，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。要求钎料的熔点要低于母材的熔点。uu要求钎料和母材不但液态时能互溶，固态时也要求钎料和

33、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必须互溶，依靠它们的相互扩散形成牢固的金属结合。属结合。rr钎料与母材的扩散钎料与母材的扩散uu两种情况两种情况: :母材母材液态钎料和液态钎料液态钎料和液态钎料母材母材uu母材向液态钎料中的扩散量，除了与钎料成分有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。关，主要决定于加热温度和保温时间。uu原因：固态金属在液体中的扩散系数远大于在固原因：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。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

34、头强度；溶解量母材溶解量适当，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。满母材间隙，会出现熔蚀缺陷，如图。uu因此，钎焊时必须严格控制因此，钎焊时必须严格控制加热温度和保温时间。加热温度和保温时间。第三节第三节影响扩散的因素影响扩散的因素rr由扩散第一定律由扩散第一定律 可知可知: :单位时间内的扩散流量单位时间内的扩散流量J J取决于扩散系数取决于扩散系数D D和浓度梯和浓度梯度度dC/dxdC/dx。rr其中，浓度梯度决定于有关条件，在一定条件下，其中，浓度梯度决定于有关条件，在一定条件下

35、，扩散快慢由扩散系数扩散快慢由扩散系数D D决定。决定。 D D0 0：扩散常数，：扩散常数，Q Q：扩散激活能，：扩散激活能，R R：气体常数，：气体常数，T T：热力学温度。热力学温度。rr可见，温度、可见，温度、D D0 0和和Q Q影响扩散过程。影响扩散过程。它们与温度、应力、压力、介它们与温度、应力、压力、介质等外部条件有关，质等外部条件有关，又与组织、结构和化学成分等内部因素有关。又与组织、结构和化学成分等内部因素有关。一、温度一、温度rr温度是影响扩散系数的最主要因素。温度是影响扩散系数的最主要因素。由由 可看出，可看出，D与与T呈指呈指数关系变化，随温度升高，扩散系数急剧增大。

36、数关系变化，随温度升高，扩散系数急剧增大。rr原因：原因： 温度越高，原子振动能越大，借助能量起伏而越温度越高，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。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。温度升高，金属内部空位浓度提高，有利于扩散。rr任何元素的扩散，只要测出任何元素的扩散，只要测出D0和和Q值，便可计算出值，便可计算出任一温度下的任一温度下的D值。值。查表，碳在查表，碳在-Fe中扩散时，中扩散时，D0=2.0X10-5m2/s，Q=140X103J/mol，已知，已知R8.31J/(molK），算），算出，出，927和和1027时碳的扩散

37、系数分别为：时碳的扩散系数分别为：扩散系数增大扩散系数增大3倍。倍。1401038.3112001401038.311300D1200 2.0 10 5 eD1300 2.0 10 5 em 2 / s 1.6 1011 m 2 / sm 2 / s 4.8 1011 m 2 / srr例题例题自扩散系数为：自扩散系数为： 239105D 19 10 e8.3111853270103 8.311185D / D 245即即:-Fe的自扩散系数大约是的自扩散系数大约是-Fe的的245倍。倍。D 1.8 105 em 2 / s 2.22 1017 m 2 / sm 2 / s 5.47 1015

38、 m 2 / s二、晶体结构二、晶体结构 不同晶体结构具有不同扩散系数不同晶体结构具有不同扩散系数(同素异构性金属同素异构性金属)例如例如,Fe在在912发生发生-Fe-Fe转变，铁的转变，铁的r r 所有元素在所有元素在-Fe 的扩散系数的扩散系数-Fe 中的扩散系数中的扩散系数 例例:900时时,置换原子置换原子Ni在在-Fe中的扩散系数比在中的扩散系数比在-Fe中约大中约大1400倍倍;527时时,间隙原子间隙原子N在在-Fe中的中的扩散系数比在扩散系数比在-Fe中约大中约大1500倍。倍。 表明：致密度大，扩散系数小表明：致密度大，扩散系数小. 原因原因:在密堆积点阵中的扩散比在非密堆

39、积点阵中在密堆积点阵中的扩散比在非密堆积点阵中的慢的慢.原子排列密度大的点阵原子排列密度大的点阵,原子移动需要克服的原原子移动需要克服的原子结合力大子结合力大,所需的扩散激活能大所需的扩散激活能大,因此因此,扩散系数小扩散系数小. 应用应用: 渗氮温度尽量选在共析转变温度以下（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。可以缩短工艺周期。尽管碳原子在尽管碳原子在-Fe 中的扩散系数比在中的扩散系数比在-Fe 中中的大，可是渗碳温度仍选在奥氏体区域。的大，可是渗碳温度仍选在奥氏体区域。原因：原因：1）奥氏体的溶碳能力远比铁素体大，可）奥氏体的溶碳能力远比铁素体大，可以获得较大的

40、渗层深度；以获得较大的渗层深度；2）考虑温度的影响。）考虑温度的影响。晶体结构异向型晶体结构异向型:在某些晶体结构中，原子扩散还具有各向异性在某些晶体结构中，原子扩散还具有各向异性的特点。如密排六方结构的锌的特点。如密排六方结构的锌，在，在340-410 范围内加热时，垂直于范围内加热时，垂直于Z轴方向的扩散系数要比轴方向的扩散系数要比平行平行Z轴方向的扩散系数大轴方向的扩散系数大200倍，但在立方晶倍，但在立方晶系金属中，却看不到扩散的各向异系金属中，却看不到扩散的各向异性。性。 三、固溶体类型三、固溶体类型rr固溶体类型不同，溶质原子的扩散激活能不同。固溶体类型不同，溶质原子的扩散激活能不

41、同。间隙原子的扩散激活能都比置换原子的小，所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。以扩散速度比较大。rrQ间隙间隙Q置换，置换，D间隙间隙D置换置换例：例：C、N等溶质原子在等溶质原子在Fe中的间隙扩散激活能中的间隙扩散激活能比比Cr、Al等溶质原子在等溶质原子在Fe中的空位扩散激活能中的空位扩散激活能小得多，因此，钢化学热处小得多，因此，钢化学热处理时，渗碳、渗氮理时，渗碳、渗氮要比渗金属易于进行。要比渗金属易于进行。rr例：铸锭均匀化退火，例：铸锭均匀化退火，C、N间隙原子易均匀间隙原子易均匀化，置换型溶质原子须加热到更高温度才能均化，置换型溶质原子须加热到更高温度才能均匀化。匀化。D1200 2.0 10 5 e8.311200D1200 4.4 10 5 e28310 38.311200C Ni 表明表明:间隙原子间隙原子C的扩散系数远大于置换原子的扩散系数远大于置换原子Ni的的.Ni 其扩散系数其扩散系数D分别为分别为:14010