金属学-扩散.ppt

回 顾 金属的晶体结构 纯金属的结晶 二元合金 铁碳合金 三元相图 金属及合金的塑性变形 回复与再结晶 扩散:物质中原子（或分子）的迁移现象，它是物质传输的一种方式. 原子的微观运动会引起物质的宏观流动,气体和液体的扩散易察觉. 固态金属中同样存在扩散现象,且扩散是固体中物质传递的唯一方式. 扩散是金属中的一个重要现象，是金属学的一个重要领域，它与金属的加工、使用性能间存在密切关系. 第一节 概述 一、扩散现象 气体和液体中的扩散现象 例如：鲜花的芬芳，糖水的甜味 由物质的原子或分子迁移造成,是物质传输的结果。扩散方向是自浓度高的方向向浓度低的方向进行，直至各处浓度均匀为止. 固态物质中的扩散现象 金属结晶时,液态金属原子向固态晶核的迁移,再结晶晶粒长大,钢的渗碳,金属的焊接等 固体中的扩散速率十分缓慢，但确实存在。 固态扩散的实验(柯肯达尔效应) 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,因此它们不会合并，也很难换位。 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。 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，以进行扩散迁移。 温度越高，原子迁移的几率越大。 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,原子向各个方向跃迁几率相等,这样,不会产生物质传输的宏观扩散效果. 若晶体周期场的势能曲线倾斜(图),则原子自左向右跃迁的激活能为Q,自右向左的激活能为 Q＋ΔC.那么,原子向右跳动的几率将大于向左跳动的几率.大量原子的无序跃迁造成物质的定向迁移，即发生扩散. 扩散不是原子的定向跃迁,而是原子的随机无序跃迁 二 、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(按照单原子的跳动方式分) 间隙扩散机理 换位扩散机理 空位扩散机理 1.间隙扩散机理 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,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. 置换原子的两种间隙扩散模型 顶替式和挤列式 3 空位扩散机理 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容易。 空位扩散是固态金属最可能采取的扩散机制 三、固态金属扩散的条件 1、温度要足够高 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。 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”，不同物质扩散 “冻结”的温度不同。 如,碳原子在室温下的扩散极其微弱，100℃以上时较显著，而铁原子须在500℃以上才能扩散。 2、时间要足够长 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。 应用:快速冷却到低温，原子来不及被激活，使扩散过程“冻结”，就可以保持高温下的状态。 举例 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。 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。 因此，浓度梯度并不是导致扩散的本质原因。 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