4 固体中的扩散.ppt

空位扩散机制--- 4．其它机制：环形换位机制，挤列机制等。铜不同扩散机制下所需能量 ? * 五、影响扩散的因素 1．温度 D=D0exp(-Q/RT) 有lnD=lnD0-（Q/RT） 如图扩散系数与T的半对数坐标 图中斜率tgα=Q/R 温度升高，扩散原子获得能量超越势垒几率增大且空位浓度增大，有利扩散， 对固体中扩散型相变、晶粒长大，化学热处理有重要影响。 工业渗碳：1027℃比927℃时，D增加三倍，即渗碳速度加快三倍 * 五、影响扩散的因素---2．晶体缺陷 短路扩散：原子沿点、 线、面缺陷扩散速率 比沿晶内体扩散速率 大，沿面缺陷的扩散 （界面、晶界）：原 子规则排列受破坏， 产生畸变，能量高， 所需扩散激活能低 * 五、影响扩散的因素---2．晶体缺陷 低温下明显，高温下空位浓度多，晶界扩散被晶内扩散掩盖 晶粒尺寸小，晶界多，D明显增加 * 五、影响扩散的因素---2．晶体缺陷 沿线缺陷（位错）的扩散 位错象一根管道，沿位错扩散激活能很低，D可以很高， 但位错截面积总分数很少，只在低温时明显，如低温时过饱和固溶体分解时沉淀相在位错形核冷变形，增加界面及位错，促进扩散。 * 五、影响扩散的因素---3．晶体结构的影响a.同素异晶转变的金属中，D随晶体结构改变，910℃，Dα-Fe/Dγ-Fe=280， α-Fe致密度低，且易形成空位。b.晶体各向异性使D有各向异性。 铋扩散的各向异性，菱方系Bi沿C轴的自扩散为垂直C轴方向的1/106 六方系的Zn：平行底面的自扩散系数大于垂直底面的，因底面原子排列紧密，穿过底面困难。 * 铋扩散 的各向 异性 * 五、影响扩散的因素--- 4．固溶体类型：间隙原子扩散激活能小于置换式原子扩散激活能，缺位式固溶体中缺位数多，扩散易进行。 5．扩散元素性质：扩散原子与溶剂金属差别越大，扩散系数越大，差别指原子半径、熔点、固溶度等 表10-4：不同元素在银中的扩散系数 * 五、影响扩散的因素--- 6．扩散元素浓度 溶质扩散系数随浓度增加而增大 相图成分与扩散系数的关系，溶质元素使合金熔点降低，D增加，反之，D降低 * 五、影响扩散的因素--- 7．第三元素（或杂质）影响复杂 如碳在r-Fe中扩散系数跟碳与合金元素亲和力有关 a.形成碳化物元素， 如W、Mo、Cr等，降低碳的扩散系数 b. 形成不稳定碳化物， 如Mn，对碳的扩散影响不大 c.不形成碳化物元素， 影响不一，如Co、Ni 可提高C的扩散，而Si 则降低碳的扩散。 * 六、反应扩散 1． 反应扩散：渗入元素 浓度超过溶解度，发生化学 反应而,形成新相的扩散可 参照相图分析，如Fe-N相图 分析，纯铁520℃渗氮 * 纯铁渗氮后浓度变化 纯铁渗氮后表面氮浓度分布 二元系中反应扩散，渗层中无两相区。三元系反应扩散渗层中无三相区 * 4． 反应扩散速率 决定于原子在化合层中扩散速度VD及界面发成化合物的反应速度VR 受速度慢因素控制，控制因素可转化 VRVD，化合物层厚度x=Kt，通常化合物层厚度薄时出现，K常数，t时间 VDVR, 通常是在化合物层厚度较厚时，浓度梯度减小扩散减慢，此时呈抛物线关系，x2=K′t * 七、扩散问题的实例 1．铸锭均匀化 铸锭中枝晶偏析，高温均匀化，溶质原子成分可近似为正弦波 均匀化后浓度表达：C=Coexp(-Dtπ2/L2) Co、C均匀化前、后峰谷间浓差，L：枝晶间距，t：均匀化时间（s），D：扩散系数， 可推导出，t∝L2/D * 七、扩散问题的实例--- 1．铸锭均匀化 t∝L2/D 故 （a）一定温度下，D一定，t∝L2，故快速凝固或锻打后均匀化，缩短枝晶间距，可缩短t （b）t∝D-1，D与T有关，温度高，D大，t可缩短，故在不产生过热、过烧时，提高铸锭均匀化温度有利缩短t。 * 七、扩散问题的实例--- 2．渗碳 例：纯铁在气体渗碳介质中927℃渗碳，该温度下C在γ-Fe中最大溶解度1.3%，求10h后纯铁内C%分布，F10-28：纯铁渗碳及碳的分布 * 解：纯铁表面很快达到饱和碳浓度为1.3%，为半无限大物体中的扩散，故 927℃时，即1200K，D≈1.5 ×10-7cm2/s，渗碳10h，即3.6×104s， C=C0[1-erf（x/（4Dt）1/2] ， 故C=Co[1-erf(6.8x)]， （x/（4Dt）1/2=6.8x 若x=1.2mm=0.12cm, erf(6.8x)=erf(0.816)=0.7421 C=Co(1-erf(6.8x))=1.3%(1-0.7421)=0.32% 可计算出纯铁中离表面