第五章金属扩散及固态转变案例.ppt

第五章金属扩散及固态相变;金属扩散及 固态相变;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.; 应用举例 铸造合金消除枝晶偏析的均匀化退火 钢在加热和冷却时的一些相变 变形金属的回复与再结晶 钢的化学热处理 金属加热过程中的氧化和脱碳 ;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Cu、Ni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???漂移的现象.;;“－”－扩散物质的传输方向与浓度梯度 方向相反。;扩散第一定律的说明: 描述溶质原子的宏观移动与其浓度梯度的关系 将金属看作连续介质，建立微分方程求解，不涉及金属内部的原子过程. 适用范围: 稳态扩散，即在一定区域内，浓度和浓度梯度不随时间变化，不考虑时间因素对扩散的影响. 但实际上稳态扩散的情况很少，大部分属于非稳定态扩散，需要应用菲克扩散第二定律。;在扩散过程中扩散物质的浓度随时间而变化。 非稳态扩散时，在一维情况下，菲克第二定律的表达式为 式中：c为扩散物质的体积浓度（原子数/m3或kg/m3）；t为扩散时间（s）；x为扩散距离（m）。; 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。 扩散模型(按照单原子的跳动方式分) 间隙扩散机理 空位扩散机理 ;⑴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. ;实现间隙扩散的条件: 结构条件:扩散原子周围具备几何间隙位置 能量条件:克服跳动时周围阵点原子的阻力 间隙固溶体中,溶质原子占据的间隙位置很少,大部分是空的,可供间隙原子跳动,间隙扩散可能性大. 对置换固溶体,原子尺寸大,间隙很小,处于平衡位置的原子要跳入很小的间隙位置,且还要通过两个原子之间更小的间隙跳到另一个间隙位置，很难.;⑵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。 温度越高，空位越多，金属中原子的扩散越容易。;3、固态金属扩散的条件 ⑴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。;⑵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。;⑶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。 ;温度;⑴温度 温度是影响扩散系数的最主要因素。 由 （D0为扩散常数，Q为扩散激活能，R是理想气体常数）可看出，D与T呈指数关系变化，随温度升高，扩散系数急剧增大。 原因： 温度越高，原子振动能越大，借助能量起伏而越过势垒迁移的原子几率越大。 温度升高，金属内部空位浓度提高，有利于扩散。 任何元素的扩散，只要测出D0和Q值，便可计算出任一温度下的D值。;⑵固溶体类型 固溶体类型不同，溶质原子的扩散激活能不同。间隙原子的扩散激活能比置换原子小，所以扩散速度比较大。 例：铸锭均匀化退火，C、N间隙原子易均匀化，置换型溶质原子须加热到更高温度才能均匀化。 ;⑶晶体结构 不同晶体结构具有不同扩散系数(同素异构性金属); 所有元素在α-Fe 的扩散系数γ-Fe 中的扩散系数 例:900℃时,置换原子Ni在α-Fe中的扩散系数比在γ-Fe中约大140