5－物理冶金原理－扩散.ppt

固体金属中的扩散Diffusion in Metallic Solids 质量传输Mass Transfer 固体金属中扩散现象 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 扩散激活能 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） 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, ……. 低碳钢的渗碳处理 金属材料渗铝、渗硅、渗铬…..半导体的掺杂，……………….. Sintering and Densification of Powders粉末的烧结与致密化 扩散连接-Diffusion Bonding 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 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 D = Do × e-Q/RT ? Ln D = ln Do－Q/RT 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  Kirkendall效应（ Kirkendall Effect） Molybdenum Wire Copper Brass （Cu-Zn Alloy） DZn Dcu 扩散的微观机制（Mechanisms of Diffusion） 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） 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 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 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 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 Q = k . Tm 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 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： 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