北航物理冶金原理5-扩散

1、固体金属中扩散现象固体金属中扩散现象扩散的基本概念扩散的基本概念 固体金属中原子的扩散：在固体金属中原子的扩散：在浓度浓度梯度（化学位梯度）驱动梯度（化学位梯度）驱动下、通下、通过原子的过原子的热激活作用热激活作用（系统能量（系统能量起伏、大量原子的无规则跃迁）、起伏、大量原子的无规则跃迁）、发生的宏观发生的宏观物质定向传输现象物质定向传输现象 驱动力驱动力：化学位梯度（浓度梯度）化学位梯度（浓度梯度） 扩散机制扩散机制：原子的热激活（原子的热激活（Thermal Activation）热激活过程热激活过程Thermal Activation Process扩散激活能扩散激活能 温度必须足够高

2、：能量起伏、热激温度必须足够高：能量起伏、热激活过程活过程 时间足够长：大量原子微观上无规时间足够长：大量原子微观上无规则跃迁、物质的定向传输则跃迁、物质的定向传输 扩散原子在溶质中须固溶扩散原子在溶质中须固溶 扩散必须有驱动力（浓度梯度、化扩散必须有驱动力（浓度梯度、化学位梯度、应变能梯度、表面能梯学位梯度、应变能梯度、表面能梯度）度）固体中原子扩散的条件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材料合成、加工制备、使用过程就是控制扩散的过程：的过程： 固态相变与热处理过程：完全依靠原子扩散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、凝固加工（铸造、焊接、

3、.) 材料热加工（热锻、热轧、热挤压材料热加工（热锻、热轧、热挤压, ) 材料的高温力学性能与氧化、腐蚀性能：材料的高温力学性能与氧化、腐蚀性能： 粉末冶金烧结：粉末冶金烧结： 表面化学热处理与表面渗工艺，表面化学热处理与表面渗工艺， 扩散连接扩散连接, .扩散对材料科学与工程的意义扩散对材料科学与工程的意义低碳钢的渗碳处理低碳钢的渗碳处理C%金属材料渗铝、渗硅、渗铬金属材料渗铝、渗硅、渗铬.半导体的掺杂，半导体的掺杂，.M%Sintering and Densification of Powders粉末的烧结与致密化粉末的烧结与致密化扩散连接扩散连接-Diffusion Bonding扩散的

4、宏观规律扩散的宏观规律菲克第一定律菲克第一定律 Ficks First Law 当浓度梯度为常数时（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/s 菲克第二定律菲克第二定律 Ficks Second Law菲克第二定律菲克第二定律 Ficks Second Law扩散系数扩散系数D = Do e-Q/kTLn D = ln DoQ/kT 扩散激活能及其实验求法扩散激活能及其实验求法Ln Do1/TLn D斜率斜率 k = Q/R 求出求出Q几种典型扩散现象几种典型扩散现象 下坡扩散下坡扩散Down-Hill

5、 Diffusion ： 上坡扩散上坡扩散 Up-Hill Diffusion:Down-Hill Diffusion DA, DB Up-Hill Diffusion 上坡扩散 过炮和固溶体的调幅分解Molybdenum WireCopperBrass （Cu-Zn Alloy）DZn Dcu扩散的微观机制扩散的微观机制（Mechanisms of Diffusion）Vacancy Mechanism: Diffusion of Substitutional Solute Atoms空位机制：置换式溶质原子空位机制：置换式溶质原子（置换式原子的扩散就是空位的反向运动）（置换式原子的扩散就是

6、空位的反向运动）空位机制：置换式溶质原子空位机制：置换式溶质原子（置换式原子的扩散就是空位的反向运动）（置换式原子的扩散就是空位的反向运动）间隙机制：间隙溶质原子间隙机制：间隙溶质原子Interstitial Mechanism: Diffusion of Interstitial Atoms间隙机制：间隙溶质原子间隙机制：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、表面位错、层错、晶界、相界、表面面缺陷面缺陷(晶界、相界、表面晶界、相界、表面): 溶质原子扩散的快速通道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晶内、晶界及表面扩散系数晶

7、内、晶界及表面扩散系数影响扩散的因素：影响扩散的因素：D = Doexp(-Q/RT) 温度：温度： D = Doexp(-Q/RT)熔点、原子间结合力，同溶剂原熔点、原子间结合力，同溶剂原子间的原子尺寸差、化学亲和力等子间的原子尺寸差、化学亲和力等 熔点熔点越高越高扩散激活能越大扩散激活能越大扩散系数越小扩散系数越小 原子间结合力越强原子间结合力越强扩散激活能越大扩散激活能越大扩散系扩散系数越小数越小 原子尺寸差原子尺寸差越小越小晶格奇变越小晶格奇变越小扩散系数越扩散系数越小小 化学亲和力越高化学亲和力越高（原子间结合力越强）（原子间结合力越强）扩散扩散激活能越大激活能越大扩散系数越小扩散系

8、数越小影响扩散的因素影响扩散的因素 溶剂金属性质：晶体结构、熔点、结合能溶剂金属性质：晶体结构、熔点、结合能 晶体结构晶体结构致密度越高致密度越高（BCC与与 FCC相差相差1500倍倍) 原子原子扩散激活能越高、扩散系数越小扩散激活能越高、扩散系数越小 熔点熔点越高（原子间结合力越强）越高（原子间结合力越强）扩散扩散激活能越大激活能越大扩散系数越小扩散系数越小 与溶质原子化学亲和力与溶质原子化学亲和力越高（原子间结越高（原子间结合力越强）合力越强）扩散激活能越大扩散激活能越大扩散系数扩散系数越小越小 同溶质原子的尺寸差同溶质原子的尺寸差越小越小晶格奇变越小晶格奇变越小扩散系数越小扩散系数越小

9、元素原子元素原子自扩散激活能自扩散激活能与元素熔点的关系与元素熔点的关系Q = k . Tm元素原子元素原子自扩散激活能自扩散激活能与元素熔点的关系与元素熔点的关系Q = k . Tm晶晶体体结结构构的的影影响响影响扩散的因素影响扩散的因素 晶体缺陷密度：晶体缺陷密度： 空位浓度空位浓度: 过饱和空位过饱和空位（固溶后不能停留太长时间）（固溶后不能停留太长时间） 位错及层错密度：是扩散的快速通道位错及层错密度：是扩散的快速通道 晶界（晶粒尺寸）晶界（晶粒尺寸）: 纳米材料纳米材料（表面纳米化渗氮）（表面纳米化渗氮） 相界相界: 表面曲率：曲率半径越小、表面自由能越高、扩散表面曲率：曲率半径越小

10、、表面自由能越高、扩散驱动力越大驱动力越大（粉末冶金烧结、小晶粒缩小大晶粒长大）（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：其他合金元素的影响：或增加或减小或无影响或增加或减小或无影响 溶质浓度：溶质浓度： 钢中：钢中：Si、Co等非碳化物形成元素显著提高碳等非碳化物形成元素显著提高碳的活度的活度提高碳的提高碳的扩散系数扩散系数 钢中：钢中：Ti、Mo、Cr、V、W等强碳化物形成元等强碳化物形成元素显著降低碳的活度素显著降低碳的活度显著降低碳的显著降低碳的扩散系数扩散系数扩散在材料制备加工及使扩散在材料制备加工及使用过程中的作用及重要性用过程中的作用及重要性 控制扩散过程即控制控制扩散过程即控制材料材料的动力学过程，的动力学过程，是控制材是控制材料组织、提高材料性能与料组织、提高材料性能与制备新材料的基础！制备新材料的基础！ 材料制备、加工与成形过程（合金材料制备、加工与成形过程（合金冶炼、熔炼合金化、铸造、焊接、冶炼、熔炼合金化、铸造、焊接、热处理、热机械处理、锻造、轧制、热处理、热机械处理、锻造、轧制、超塑成形、均