第九章+扩散预案.ppt

第九章 固态扩散Solid diffusion 研究扩散有两种方法 扩散对(Diffusion couple)模型 扩 散 的 实 质 1. 菲克第一定律 Fick’s first law 基本概念 基本概念 1. 菲克第一定律 Fick’s first law 扩散过程中溶质原子的分布  溶质原子流动的方向与浓度降低的方向一致 讨论：对于菲克第一定律，有以下三点值得注意：（1）方程是唯象的关系式，其中并不涉及扩散系统内部原子运动的微观过程。 “上坡扩散”与“下坡扩散” 扩散系数 Diffusion coefficient 一些纯金属的熔点和激活能 Example 1 Example 2 稳态扩散 Steady-state diffusion 达肯（Darken）方程 非稳态扩散 Nonsteady-state diffusion 2. 菲克第二定律 Fick’s second law 扩散方程的解 菲克第二定律的实际应用 （2）一端成分不受扩散影响的扩散体 （1）按浓度均匀程度分： 扩散的推动力 1、 互扩散（化学扩散）inter-diffusion 2、自扩散 self-diffusion 9.4 扩散机制 Diffusion mechanisms（原子扩散理论） 1、交换扩散 exchange diffusion 2、间隙扩散 interstitial diffusion 2、间隙扩散 interstitial diffusion 3、空位扩散 vacancy diffusion 4、晶界及表面扩散 grain boundary and surface diffusion 5、位错扩散 dislocation diffusion 9.5 影响扩散的因素 1. 扩散温度 2. 扩散元素的性质 间隙原子在γ-Fe中的扩散参数 3. 基体金属的性质原子间的结合力 基体金属的性质晶体结构 4. 晶 体 缺 陷 思 考 题 多晶材料中，物质的扩散路径包括： 1、晶体内扩散（体扩散），扩散系数DL； 2、晶界扩散，扩散系数DB ； 3、自由表面扩散，扩散系数DS 。 DL DB DS 固态金属中的扩散主要是借助晶体缺陷进行的。如果没有晶体缺陷，金属原子的扩散要困难得多。 位错扩散：位错线是晶格畸变的管道，相互连通，形成位错网。扩散原子在位错管道内迁移，激活能可以降低一半左右，所以位错成为扩散的捷径。 增大位错密度便可加速扩散。在扩散过程中，扩散原子并不一定始终在位错管道中移动，而可能时进时出地沿位错线跳动。 扩散温度 扩散元素的性质 基体金属的性质 晶 体 缺 陷 扩散元素的浓度 其它合金元素 其它相的性质等 由公式 可知，扩散温度T 与扩散系数D 是指数关系，因此温度对扩散系数的影响非常大，扩散温度越高，扩散原子的能量越大，越容易发生跃迁，故扩散系数越大。 例如，碳在γ-Fe中扩散， 927℃时，D = 1.76×10-11 m2/s， 1027℃时，D = 5.15×10-11 m2/s。 所以，生产上各种受扩散控制的过程都要考虑温度的重大影响。 D : three times 不同元素在同一基体金属中扩散，其扩散常数D0 和扩散激活能Q 各不相同。 一般规律是：扩散元素在基体金属中造成的晶格畸变越大（大的间隙原子半径) ? Q就越小，则D越大，扩散越容易，扩散越快。 D，m2/s? (900℃) 扩 散 元 素 N(氮) C(碳) B(硼) 原子半径, ? 0.71 0.77 0.90 固溶度,wt % 2.8 2.1 0.018 D0，m2/s 2.0×10-5 1.0×10-5 0.02×10-5 Q, kJ/mol 151 136 88 3.7×10-12 8.7×10-12 2.4×10-11 易扩散 难扩散 C在不同基体金属中性质 金属 熔点（K） 扩散激活能Q （kJ/mol） α-Fe 1809 103 V(钒) 2108 114 Nb(铌) 2793 159 W(钨) 3653 169 同一元素在不同基体金属中扩散时，其D0和Q值都不相同。 规律是：bonding越大，? Tm越高，Q越大，扩散越难。 难扩散 易扩散 置换固溶体中的空位扩散机制 柯肯达尔（Kirkendall）效应 低熔点组元 高熔点组元 空位 扩散偶 净空位流