5－物理冶金原理－扩散

null固体金属中的扩散 Diffusion in Metallic Solids固体金属中的扩散 Diffusion in Metallic Solids 热力学 Thermodynamics 动力学 Kinetics质量传输 Mass Transfer质量传输 Mass Transfer Diffusion 扩散 Convection 对流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（Thermal Activation）热激活过程 Thermal Activation Process热激活过程 Thermal Activation Process扩散激活能扩散激活能null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null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低碳钢的渗碳处理C%null金属材料渗铝、渗硅、渗铬….. 半导体的掺杂，………………..金属材料渗铝、渗硅、渗铬….. 半导体的掺杂，………………..M%Sintering and Densification of Powders 粉末的烧结与致密化Sintering and Densification of Powders 粉末的烧结与致密化扩散连接-Diffusion Bonding扩散连接-Diffusion Bonding扩散的宏观规律扩散的宏观规律菲克第一定律 Fick’s First Law 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 D ＝ Do exp (-Q/RT)菲克第二定律 Fick’s Second Law菲克第二定律 Fick’s Second Law菲克第二定律 Fick’s Second Law菲克第二定律 Fick’s Second Law扩散系数扩散系数D = Do e-Q/kT Ln D = ln Do－Q/kT 扩散激活能及其实验求法扩散激活能及其实验求法 D = Do × e-Q/RT  Ln D = ln Do－Q/RTLn Do1/TLn D斜率 k = Q/R  求出Q几种典型扩散现象 几种典型扩散现象 下坡扩散Down-Hill Diffusion ： 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 nullKirkendall效应 （ Kirkendall Effect）Kirkendall效应 （ Kirkendall Effect）Molybdenum Wire Copper Brass （Cu-Zn Alloy） DZn > Dcu扩散的微观机制 （Mechanisms of Diffusion）扩散的微观机制 （Mechanisms of Diffusion）nullVacancy Mechanism: Diffusion of Substitutional Solute Atoms 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）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）null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(晶界、相界、表面): 溶质原子扩散的快速通道面缺陷(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 = Do×exp(-Q/RT)影响扩散的因素：D = Do×exp(-Q/RT)温度： D = Do×exp(-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晶体结构的影响晶体结构的影响影响扩散的因素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：null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！null材料制备、加工与成形过程（合金冶炼、熔炼合金化、铸造、焊接、热处理、热机械处理、锻造、轧制、超塑成形、均匀化退火或扩散退火、扩散连接、粉末冶金烧结、金属的塑性变形、机械合金化……） 表面化学热处理（渗碳、渗氮、渗金属等）及表面掺杂等 材料的摩擦磨损过程 材料的高温力学性能………..