4第四章固体中原子及分子的运动课件

第四章第四章 固体中原子及分子的运动固体中原子及分子的运动 4/24/20241概述概述 扩扩扩扩散散散散(diffusion)(diffusion)(diffusion)(diffusion)原原子子或或分分子子的的迁迁移移现现象象称称为为扩扩散散。扩扩散散的的本本质质是是原原子子依依靠靠热热运运动动从从一一个个位位置置迁迁移移到到另另一一个个位位置置。扩扩散散是是固固体体中中原原子子迁迁移移的的唯唯一一方方式。式。一、扩散现象和本质一、扩散现象和本质一、扩散现象和本质一、扩散现象和本质 柯肯达尔效应（柯肯达尔效应（柯肯达尔效应（柯肯达尔效应（kirkendallkirkendallkirkendallkirkendall effect effect effect effect）激活能（激活能（激活能（激活能（activation energyactivation energyactivation energyactivation energy）跃迁（跃迁（跃迁（跃迁（jump migrationjump migrationjump migrationjump migration）醉步醉步醉步醉步(无规则行走无规则行走无规则行走无规则行走)（Random walkRandom walkRandom walkRandom walk）4/24/20242二、固态金属扩散的条件二、固态金属扩散的条件二、固态金属扩散的条件二、固态金属扩散的条件 由由于于固固态态金金属属中中原原子子间间结结合合力力比比气气体体、液液体体大大得得多多，其其扩散也不易、需具备下列条件才能扩散扩散也不易、需具备下列条件才能扩散:1 1 1 1、温温温温度度度度（T T T T）要要要要足足足足够够够够高高高高 只只有有T T足足够够高高，才才能能使使原原子子具具有有足足够够的的激激活活能能，足足以以克克服服周周围围原原子子的的束束缚缚而而发发生生迁迁移移。如如FeFe原原子子在在500 500 以以上上才才能能有有效效扩扩散散，而而C C原原子子在在100 100 以以上上才能在才能在FeFe中扩散中扩散.2 2 2 2、时时时时间间间间(t)(t)(t)(t)要要要要足足足足够够够够长长长长 扩扩散散原原子子在在晶晶格格中中每每一一次次最最多多迁迁移移0.30.30.5n m0.5n m的距离，要扩散的距离，要扩散1 1的距离，必须迁移近亿次。的距离，必须迁移近亿次。3 3 3 3、扩扩扩扩散散散散原原原原子子子子要要要要能能能能固固固固溶溶溶溶 扩扩散散原原子子在在基基体体金金属属中中必必须须有有一一定定的的固固溶溶度度,能能溶溶入入基基体体组组元元晶晶格格,形形成成固固溶溶体体,才才能能进进行行固固态态扩散。扩散。4 4 4 4、扩扩扩扩散散散散要要要要有有有有驱驱驱驱动动动动力力力力（driven driven driven driven forceforceforceforce）实实际际发发生生的的定定向向扩扩散散过过程程都都是是在在扩扩散散驱驱动动力力作作用用下下进进行行的的(化化学学势势差差:在在等等温温等等压压条条件件下下,只只要要两两个个区区域域中中各各组组元元存存在在化化学学势势差差,就就能能产产生扩散生扩散,直至化学势差为零直至化学势差为零)。4/24/20243三、固态扩散的分类三、固态扩散的分类三、固态扩散的分类三、固态扩散的分类 1 1 1 1、按浓度变化、按浓度变化、按浓度变化、按浓度变化 自扩散（自扩散（self-diffusion):self-diffusion):例如例如:纯金属晶粒长大过程及纯金属晶粒长大过程及均匀溶体的晶粒长大等均匀溶体的晶粒长大等,不伴有浓度变化的扩散不伴有浓度变化的扩散,与与浓度梯度浓度梯度（concentration concentration gradientdgradientd）（）（d/dxd/dx）无）无关关,与热振动有关与热振动有关.互（异）扩散互（异）扩散(mutual diffusion):(mutual diffusion):例如例如:化学热处理；材化学热处理；材料成分均匀化料成分均匀化,伴有浓度变化的扩散。互扩散与异类原子的浓伴有浓度变化的扩散。互扩散与异类原子的浓度差有关度差有关,是异类原子的相对扩散、相互渗透。是异类原子的相对扩散、相互渗透。2 2 2 2、按是否与浓度梯度（、按是否与浓度梯度（、按是否与浓度梯度（、按是否与浓度梯度（concentration gradientconcentration gradientconcentration gradientconcentration gradient）一致）一致）一致）一致 上坡扩散上坡扩散(uphill diffusion):(uphill diffusion):向浓度高的方向扩散向浓度高的方向扩散 下坡扩散下坡扩散(downhill diffusion):(downhill diffusion):向浓度低的方向扩散向浓度低的方向扩散 3 3 3 3、按是否出现新相、按是否出现新相、按是否出现新相、按是否出现新相 原子扩散原子扩散(atomic diffusion):(atomic diffusion):没有新的相生成没有新的相生成 反应扩散反应扩散(reaction diffusion):(reaction diffusion):扩散过程中新的相生成扩散过程中新的相生成4/24/20244 4.1 4.1 表象理论表象理论4.1.1 4.1.1 FickFick第一定律第一定律 FickFickFickFick第第第第一一一一定定定定律律律律（FickFickFickFick s s s s first first first first lawlawlawlaw）描描述述在在稳稳态态条条件件下下的的扩扩散散（steady steady steady steady state state state state diffusiondiffusiondiffusiondiffusion),即即各各处浓度不随时间变化处浓度不随时间变化,只随距离变化而变化只随距离变化而变化.内内容容：在在单单位位时时间间内内通通过过垂垂直直扩扩散散方方向向的的单单位位截截面面积积上上的的扩扩扩扩散散散散物物物物质质质质通通通通量量量量(diffusion(diffusion(diffusion(diffusion fluxes)fluxes)fluxes)fluxes)与与该该截截面处的浓度梯度成正比面处的浓度梯度成正比.表达式表达式:J=:J=Dd/dxDd/dx 扩扩扩扩散散散散系系系系数数数数D D D D（diffusion diffusion diffusion diffusion coefficientcoefficientcoefficientcoefficient）:描描述述扩扩散散速速 度度 的的 物物 理理 量量。它它 等等 于于 浓浓 度度 梯梯 度度(concentiontrationconcentiontration gradient)gradient)为为1 1时时在在1 1秒秒内内通通过过1 1面积的物质质量或原子数。面积的物质质量或原子数。D D越大越大,则扩散越快则扩散越快.4/24/202454.1.2 4.1.2 FickFick第二定律第二定律 FickFickFickFick第二定律（第二定律（第二定律（第二定律（FickFickFickFick s second law s second law s second law s second law）描述描述非稳态扩散（非稳态扩散（非稳态扩散（非稳态扩散（nonsteady state diffusionnonsteady state diffusionnonsteady state diffusionnonsteady state diffusion）。）。）。）。在扩散过程中各处的浓度都随时间变化而变化在扩散过程中各处的浓度都随时间变化而变化,因因而通过各处的扩散流量不再相等而随距离和时间而通过各处的扩散流量不再相等而随距离和时间发生变化。发生变化。表达式表达式:4.2:4.2式（式（P130P130）若若D D与浓度无关则表达式与浓度无关则表达式:4.3:4.3式（式（P130P130）三三维维扩扩散散情情况况且且D D是是各各向向同同性性则则表表达达式式:4.44.4式式 扩扩扩扩散散散散是是是是由由由由于于于于浓浓浓浓度度度度梯梯梯梯度度度度引引引引起起起起称称称称为为为为化化化化学学学学扩扩扩扩散散散散。扩扩扩扩散散散散是由于热振动而产生的称为自扩散。是由于热振动而产生的称为自扩散。是由于热振动而产生的称为自扩散。是由于热振动而产生的称为自扩散。4/24/202464.1.3 4.1.3 扩散方程的解扩散方程的解应用应用 第一定律第一定律求解一阶微分方程求解一阶微分方程 第第二二定定律律设设置置中中间间变变量量求求通通解解(高高斯斯解解 Gauss Gauss solutionsolution、误误差差函函数数解解error error function function solutionsolution、正正玄玄解解 sinusoidal sinusoidal solution)solution)，解解微微分分方方程程初初始始条条件，边界条件求方程式。件，边界条件求方程式。1.1.1.1.两端成分不受扩散影响的扩散偶（两端成分不受扩散影响的扩散偶（两端成分不受扩散影响的扩散偶（两端成分不受扩散影响的扩散偶（diffusion diffusion diffusion diffusion couplecouplecouplecouple）焊接过程焊接过程焊接过程焊接过程 解微分方程解微分方程 引入中间变量和误差函数引入中间变量和误差函数 求求通解（式通解（式4.64.6）边界条件和初始条件边界条件和初始条件 求特解求特解（式（式4.74.7、4.84.8）焊接面垂直于焊接面垂直于x x轴轴,在加热和保温不同时间在加热和保温不同时间,焊接焊接面面(x=0)(x=0)附近的质量浓度将发生不同程度的变化附近的质量浓度将发生不同程度的变化.(P131 (P131 图图4.3)4.3)4/24/202472.2.2.2.一端成分不受扩散影响的扩散体表面热处理过程一端成分不受扩散影响的扩散体表面热处理过程一端成分不受扩散影响的扩散体表面热处理过程一端成分不受扩散影响的扩散体表面热处理过程 求解方法同上，特解为（式求解方法同上，特解为（式4.94.9、4.10 4.10 简化式简化式4.114.11）工业生产中工业生产中,低碳钢高温奥氏体渗碳提高钢的性能低碳钢高温奥氏体渗碳提高钢的性能低碳钢高温奥氏体渗碳提高钢的性能低碳钢高温奥氏体渗碳提高钢的性能和降低生产成本和降低生产成本和降低生产成本和降低生产成本.如如如如经常采用经常采用渗碳（渗碳（渗碳（渗碳（CarburizingCarburizingCarburizingCarburizing）的的方法来提高钢铁零件的表面硬度方法来提高钢铁零件的表面硬度.所谓渗碳就是使碳所谓渗碳就是使碳原子由零件表面向内部扩散，以提高钢的含碳量。含原子由零件表面向内部扩散，以提高钢的含碳量。含碳量越高，钢的硬度越高。碳量越高，钢的硬度越高。例题例题例题例题教材教材教材教材133 133 133 133 补充补充补充补充 (2)(2)若若想想将将渗渗碳碳厚厚度度增增加加一一倍倍，需需增增加加多多少少渗渗碳碳时时间？间？4/24/20248备注备注 （1 1 1 1）对对对对于于于于同同同同一一一一扩扩扩扩散散散散系系系系统统统统、扩扩扩扩散散散散系系系系数数数数D D D D与与与与扩扩扩扩散散散散时时时时间间间间t t t t的乘积为一常数的乘积为一常数的乘积为一常数的乘积为一常数。例例例例题题题题3 3 3 3：已已知知CuCu在在AlAl中中扩扩散散系系数数D D，在在500C500C和和600C600C分分别别为为4.8104.810-14-14msms-1-1和和5.3105.310-13-13msms-1-1,假假如如一一个个工工件件在在600C600C需需要要处处理理10h,10h,若若在在500C500C处处理理时时,要要达到同样的效果达到同样的效果,需要多少小时？（需需要多少小时？（需110.4110.4小时）小时）(2)(2)(2)(2)对对对对于于于于钢钢钢钢铁铁铁铁材材材材料料料料进进进进行行行行渗渗渗渗碳碳碳碳处处处处理理理理时时时时,x,x,x,x与与与与t t t t的的的的关关关关系系系系是是是是txtxtxtx。例例例例题题题题4 4 4 4：假假设设对对WcWc=0.25%=0.25%的的钢钢件件进进行行渗渗碳碳处处理理,要要求求渗渗层层0.50.5处处的的碳碳浓浓度度为为0.8%,0.8%,渗渗碳碳气气体体浓浓度度为为WcWc=1.2%,=1.2%,在在950C950C进进行行渗渗碳碳,需需要要7 7小小时时,如如果果将将层层深深厚度提高到厚度提高到1.01.0,需要多长时间？（需要需要多长时间？（需要2828小时）小时）4/24/202493.3.3.3.衰减薄膜源衰减薄膜源衰减薄膜源衰减薄膜源表面沉积过程表面沉积过程表面沉积过程表面沉积过程 。求解方法同上，特解为（式求解方法同上，特解为（式4.164.16、4.18 4.18 ）4.4.4.4.成分偏析均匀化成分偏析均匀化成分偏析均匀化成分偏析均匀化固溶体合金在非平衡凝固条件下固溶体合金在非平衡凝固条件下固溶体合金在非平衡凝固条件下固溶体合金在非平衡凝固条件下,晶内会出现枝晶偏析晶内会出现枝晶偏析晶内会出现枝晶偏析晶内会出现枝晶偏析,通过均匀化退火通过均匀化退火通过均匀化退火通过均匀化退火,使溶质原子从高浓度区流向低浓度使溶质原子从高浓度区流向低浓度使溶质原子从高浓度区流向低浓度使溶质原子从高浓度区流向低浓度区区区区,最终浓度趋于平均质量浓度最终浓度趋于平均质量浓度最终浓度趋于平均质量浓度最终浓度趋于平均质量浓度.t=0.467 t=0.4672 2/D/D在给定温度下在给定温度下,D,D是定值是定值,枝晶间距枝晶间距越小越小,则所需的扩则所需的扩散时间越少散时间越少.可通过快速凝固可通过快速凝固,热锻热锻,热轧等打碎枝晶热轧等打碎枝晶,有利于扩散有利于扩散.若若值一定值一定,则可通过提高温度则可通过提高温度,使使D D值增加值增加,从而有效从而有效提高扩散效率提高扩散效率.4/24/2024104.1.4 4.1.4 4.1.4 4.1.4 置换固溶体中的扩散置换固溶体中的扩散置换固溶体中的扩散置换固溶体中的扩散 KirkendallKirkendall效应（效应（KirkendallKirkendall effect effect）:由由于于置置换换型型原原子子原原子子半半径径与与基基体体相相差差不不大大,二二者者(溶溶 质质 和和 溶溶 剂剂 原原 子子)扩扩 散散 速速 率率 不不 同同，发发 生生KirkendallKirkendall效应。效应。扩散驱动力为扩散驱动力为d/dxd/dx 引引 入入 互互 扩扩 散散 系系 数数(mutual(mutual diffusion diffusion coefficient)coefficient)：P139P139式式4.34 4.34 应应用用：测测定定某某温温度度下下的的互互扩扩散散系系数数,标标记记漂漂移移速速度度v v和和d/dxd/dx可求出两种元子的扩散系数可求出两种元子的扩散系数D1D1和和D2D2。4/24/2024114.1.5 4.1.5 扩散系数与浓度有关时的解扩散系数与浓度有关时的解(求求D)D)一般了解一般了解 D D与与有关时，有关时，FickFick第二定律为式第二定律为式4.24.2（P130P130）BoltzmannBoltzmann引入中间变量：引入中间变量：=x/t=x/t 根根据据无无限限长长的的扩扩散散偶偶(diffusion(diffusion couple)couple)的的初初始始条条件件为为 t=0t=0时时 x0 =x0 =；x0 =0 x0D0为下坡扩散；当为下坡扩散；当D0D0为上坡扩散。为上坡扩散。总总 之之,决决 定定 组组 元元 扩扩 散散 的的 基基 本本 因因 素素 为为 化化 学学 势势 差差i i/x/xi i,扩扩散散总总是是导导致致扩扩散散组组元元的的化化学学势势差差减减小小,直直至为零。至为零。4/24/2024144.2.3 4.2.3 4.2.3 4.2.3 上坡扩散及其影响因素上坡扩散及其影响因素上坡扩散及其影响因素上坡扩散及其影响因素 除了化学势差外除了化学势差外除了化学势差外除了化学势差外,引起上坡扩散还可能是引起上坡扩散还可能是引起上坡扩散还可能是引起上坡扩散还可能是:弹弹弹弹性性性性应应应应力力力力的的的的作作作作用用用用:晶晶晶晶体体体体中中中中存存存存在在在在弹弹弹弹性性性性应应应应力力力力梯梯梯梯度度度度,促促促促使使使使较较较较大大大大原原原原子子子子半半半半径径径径的的的的原原原原子子子子跑跑跑跑向向向向点点点点阵阵阵阵伸伸伸伸长长长长部部部部分分分分,较较较较小小小小原子跑向受压部分原子跑向受压部分原子跑向受压部分原子跑向受压部分,造成固溶原子的不均匀分布造成固溶原子的不均匀分布造成固溶原子的不均匀分布造成固溶原子的不均匀分布;晶晶晶晶界界界界的的的的内内内内吸吸吸吸附附附附:晶晶晶晶界界界界能能能能量量量量比比比比晶晶晶晶内内内内的的的的高高高高,原原原原子子子子规规规规则则则则排排排排列列列列较较较较晶晶晶晶内内内内差差差差,溶溶溶溶质质质质原原原原子子子子位位位位于于于于晶晶晶晶界界界界上上上上,可可可可降降降降低低低低体体体体系系系系总总总总能能能能量量量量,则则则则溶溶溶溶质质质质原原原原子子子子优优优优先先先先向向向向晶晶晶晶界界界界扩扩扩扩散散散散,富富富富集集集集在在在在晶晶晶晶界界界界,晶界上的浓度高于晶内的浓度晶界上的浓度高于晶内的浓度晶界上的浓度高于晶内的浓度晶界上的浓度高于晶内的浓度.大大大大的的的的电电电电场场场场或或或或温温温温度度度度场场场场也也也也促促促促使使使使晶晶晶晶体体体体中中中中原原原原子子子子按按按按一一一一定定定定方向扩散方向扩散方向扩散方向扩散,造成扩散原子的不均匀性造成扩散原子的不均匀性造成扩散原子的不均匀性造成扩散原子的不均匀性.4/24/2024154.3 4.3 扩散的扩散的原子理论原子理论 扩散机制扩散机制(机理机理)1.1.1.1.交换（换位）机制（交换（换位）机制（交换（换位）机制（交换（换位）机制（exchange mechanismexchange mechanismexchange mechanismexchange mechanism）;2.2.2.2.间隙机制（间隙机制（间隙机制（间隙机制（interstitial mechanisminterstitial mechanisminterstitial mechanisminterstitial mechanism）;3.3.3.3.空位机制（空位机制（空位机制（空位机制（vacancy mechanismvacancy mechanismvacancy mechanismvacancy mechanism）;4.4.4.4.晶晶晶晶界界界界扩扩扩扩散散散散和和和和表表表表面面面面扩扩扩扩散散散散（grain grain grain grain boundary boundary boundary boundary diffusion diffusion diffusion diffusion and surface diffusionand surface diffusionand surface diffusionand surface diffusion）;5.5.5.5.位错扩散位错扩散位错扩散位错扩散(atom diffusion)(atom diffusion)(atom diffusion)(atom diffusion)原子的跳跃和扩散系数原子的跳跃和扩散系数 扩散激活能扩散激活能 无规则行走与扩散距离无规则行走与扩散距离 4/24/2024164.3.1 4.3.1 扩散机制扩散机制(机理机理)扩扩扩扩散散散散机机机机制制制制（mechanism mechanism mechanism mechanism of of of of diffusiondiffusiondiffusiondiffusion）的的主主要要类类型型如如图图4.94.9，主要有以下几种机制，主要有以下几种机制:1.1.1.1.交交交交换换换换（换换换换位位位位）机机机机制制制制（exchange exchange exchange exchange mechanismmechanismmechanismmechanism）：以以相相邻邻原原子子交交换换位位置置进进行行扩扩散散方方式式。换换位位方方式式：直直接接换换位位扩散和环形换位（扩散和环形换位（cyclic exchangecyclic exchange）扩散）扩散 扩扩散散需需要要两两个个或或两两个个以以上上的的原原子子协协同同跳跳动动，所所需需能能量量较高。结果是垂直于扩散方向平面的净通量等于较高。结果是垂直于扩散方向平面的净通量等于0.0.2.2.2.2.间隙机制（间隙机制（间隙机制（间隙机制（interstitial mechanisminterstitial mechanisminterstitial mechanisminterstitial mechanism）：）：）：）：(1)(1)间间隙隙型型溶溶质质原原子子扩扩散散从从一一个个位位置置迁迁移移到到另另一一个个间间隙位置的过程。隙位置的过程。(2)(2)置换型溶质原子间隙机制扩散有如下方式：置换型溶质原子间隙机制扩散有如下方式：a.a.推推填填机机制制（interstitialcyinterstitialcy mechanismmechanism）(也也叫叫篡篡位位式式)b.b.挤列机制（挤列机制（crowdioncrowdion configuration configuration）c.c.跃迁机制（跃迁机制（jump migrationjump migration）4/24/202417 3.3.3.3.空空空空位位位位机机机机制制制制（vacancy vacancy vacancy vacancy mechanismmechanismmechanismmechanism）：扩扩散散原原子子与与空空位位的的逆逆向向流流动动,产产生生KirkendallKirkendall效效应应.大大多数情况下原子扩散是借助空位机制。多数情况下原子扩散是借助空位机制。4.4.4.4.晶晶晶晶界界界界扩扩扩扩散散散散和和和和表表表表面面面面扩扩扩扩散散散散（grain grain grain grain boundary boundary boundary boundary diffusion and surface diffusiondiffusion and surface diffusiondiffusion and surface diffusiondiffusion and surface diffusion）晶体内扩散晶体内扩散Dl Dl 晶界扩散晶界扩散Db Db QbQbQbQb Qs Ds Db Dl Qs Ds Db Dl Qs Ds Db Dl Qs Ds Db Dl lnDlnD1/T1/T成成直直线线关关系系，图图4.154.15为为单单、多多晶晶体体的的D D随随变变化化图图。从图中可以看出：从图中可以看出：(1)(1)单单晶晶体体的的扩扩散散系系数数表表征征晶晶内内Dl;Dl;而而多多晶晶体体的的D D是是晶晶内内扩扩散散和和晶晶界扩散共同作用的表象扩散系数。界扩散共同作用的表象扩散系数。(2)(2)对对AgAg来说来说700C700C以上以上D D单晶单晶D D多；多；700C700C以下以下D D单晶单晶DD多晶。多晶。(3)(3)晶界扩散也有各向异性。晶界扩散也有各向异性。(4)(4)晶晶界界扩扩散散比比晶晶内内扩扩散散快快的的多多。而而对对于于间间隙隙固固溶溶体体,溶溶质质原原子子半径小易扩散半径小易扩散,其其Dl DbDl Db。(5)(5)晶晶体体表表面面扩扩散散比比晶晶界界扩扩散散还还要要快快。晶晶晶晶体体体体缺缺缺缺陷陷陷陷对对对对缺缺缺缺陷陷陷陷起起起起着着着着快快快快速速速速通道的作用称为短路扩散。通道的作用称为短路扩散。通道的作用称为短路扩散。通道的作用称为短路扩散。在在实实际际生生产产中中这这几几种种扩扩散散同同时时进进行行,并并且且在在温温度度较较低低时时,所起的作用更大。所起的作用更大。4/24/2024295.5.化学成分化学成分 化学成分的影响表现在以下三方面：化学成分的影响表现在以下三方面：(1)D(1)D的的大大小小与与组组元元特特性性有有关关。不不同同金金属属自自扩扩散散Q Q与与其其点阵中原子结合力有关。如点阵中原子结合力有关。如TmTm高，高，Q Q也大也大 (2)D(2)D与与溶溶质质浓浓度度有有关关。D D与与关关系系由由4.254.25式式（P128P128）决决定。定。(3)(3)第第三三组组元元(或或杂杂质质)对对二二元元合合金金扩扩散散也也有有影影响响,但但很很复杂。有些使复杂。有些使D D升高升高,有的使有的使D D下降下降,有的不起作用。有的不起作用。例如钢中加入例如钢中加入例如钢中加入例如钢中加入Me,Me,Me,Me,对对对对C C C C在在在在rFerFerFerFe中的中的中的中的D D D D的影响的影响的影响的影响 (1)(1)碳化物形成元素：如碳化物形成元素：如W W、MoMo、CrCr等等 使使D D下降。下降。(2)(2)非非碳碳化化物物形形成成元元素素，但但易易溶溶于于碳碳化化物物，如如Mn Mn 对对D D 影响不大影响不大 (3)(3)非非碳碳化化物物形形成成元元素素，但但能能溶溶于于FeFe中中元元素素影影响响不不同同。CoCo、NiNi等使等使D D升高，升高，SiSi等使等使D D下降。下降。4/24/2024306.6.应力和磁性应力和磁性 应力应力应力应力:(1)(1)合合金金内内存存在在应应力力场场、应应力力提提 供供驱驱动动力力F F。应应力力升升高高、F F升高。升高。V=BF VV=BF V升高升高(2)(2)外外界界施施加加应应力力,在在合合金金中中产产生生弹弹性性应应力力梯梯度度,促促进进原原子迁移。子迁移。磁磁磁磁性性性性:具具有有磁磁性性转转变变的的金金属属在在铁铁磁磁性性状状态态下下的的比比顺顺磁磁性状态下扩散慢性状态下扩散慢,D,D小一些。小一些。4/24/2024314.7 4.7 扩散的类型扩散的类型 4.7.1 4.7.1 根据扩散过程中是否发生浓度变化分类根据扩散过程中是否发生浓度变化分类:1.1.1.1.自扩散（自扩散（自扩散（自扩散（SelfdiffusionSelfdiffusionSelfdiffusionSelfdiffusion）纯纯物物质质晶晶体体中中的的扩扩散散。自自扩扩散散在在扩扩散散过过程程中中不不伴伴有有浓浓度度变变 化化 的的 扩扩 散散,与与 浓浓 度度 梯梯 度度（concentration concentration gradientdgradientd）（d/dxd/dx）无无关关,与与热热振振动动有有关关。自自扩扩散散只只发发生生在纯金属和均匀固溶体中。在纯金属和均匀固溶体中。例如例如:纯金属晶粒长大过程；均匀溶体的晶粒长大纯金属晶粒长大过程；均匀溶体的晶粒长大2.2.2.2.互互互互 扩扩扩扩 散散散散(异异异异 扩扩扩扩 散散散散、化化化化 学学学学 扩扩扩扩 散散散散)（mutual/chemical mutual/chemical mutual/chemical mutual/chemical diffusiondiffusiondiffusiondiffusion）伴伴有有浓浓度度变变化化的的扩扩散散。互互扩扩散散与与异异类类原原子子的的浓浓度度差差有有关关,是异类原子的相对扩散、相互渗透。是异类原子的相对扩散、相互渗透。例如例如:化学热处理；材料成分均匀化化学热处理；材料成分均匀化4/24/2024324.7.2 4.7.2 4.7.2 4.7.2 根根根根 据据据据 扩扩扩扩 散散散散 方方方方 向向向向 是是是是 否否否否 与与与与 浓浓浓浓 度度度度 梯梯梯梯 度度度度（concentration concentration concentration concentration gradientgradientgradientgradient）（d/dxd/dxd/dxd/dx）的的的的方方方方向向向向(浓度变化趋势浓度变化趋势浓度变化趋势浓度变化趋势)相同分类相同分类相同分类相同分类1.1.1.1.下下下下坡坡坡坡扩扩扩扩散散散散(downhill(downhill(downhill(downhill diffusion)diffusion)diffusion)diffusion)：沿沿浓浓度度降降低低方方向向进进行行的的扩散扩散,扩散使浓度趋势与均匀化。扩散使浓度趋势与均匀化。例如例如:均匀化退火均匀化退火 、化学热处理、化学热处理2.2.2.2.上上上上坡坡坡坡扩扩扩扩散散散散(uphill(uphill(uphill(uphill diffusion):diffusion):diffusion):diffusion):沿沿浓浓度度升升高高方方向向进进行行的的扩扩散散,扩散使浓度发生两极分化。上坡扩散的一些情况：扩散使浓度发生两极分化。上坡扩散的一些情况：(1)(1)弹弹性性应应力力作作用用。通通过过上上坡坡扩扩散散,降降低低由由于于弹弹性性变变形形增加的能量。增加的能量。(2)(2)晶界内吸附。降低整个体系自由能。晶界内吸附。降低整个体系自由能。(3)(3)化学位不同。这是最主要的因素。化学位不同。这是最主要的因素。(4)(4)形成化合物。如形成化合物。如FeFe3 3C C形成。形成。(5)(5)特特殊殊环环境境,如如强强大大的的电电场场、磁磁场场、温温度度场场作作用用下下,原子按一定方向迁移。原子按一定方向迁移。例例如如:液液态态合合金金的的共共晶晶转转交交；固固溶溶体体的的共共析析转转交交；固固溶溶体中新相析出及新相长大。体中新相析出及新相长大。4/24/2024334.7.3 4.7.3 4.7.3 4.7.3 根据扩散过程中是否出现新相进行分类：根据扩散过程中是否出现新相进行分类：根据扩散过程中是否出现新相进行分类：根据扩散过程中是否出现新相进行分类：1.1.1.1.原子扩散（原子扩散（原子扩散（原子扩散（atomic diffusionatomic diffusionatomic diffusionatomic diffusion）扩散时晶格不变扩散时晶格不变,无新相产生。无新相产生。2.2.2.2.反应扩散反应扩散反应扩散反应扩散(相变扩散相变扩散相变扩散相变扩散)（reaction diffusionreaction diffusionreaction diffusionreaction diffusion）当当某某种种元元素素扩扩散散,其其浓浓度度超超过过基基体体金金属属的的溶溶解解度度极极限限而而形形成成新新相相的的过过程程。反反应应扩扩散散生生成成的的新新相相与与原原来来的的基基体体相相之之间间存存在在明明显显的的观观察察面面,新新相相可可以以是是中中间间相相,也也可可以以是是固固溶溶体体。反应扩散可以参考平衡相图分析形成的新相。反应扩散可以参考平衡相图分析形成的新相。例例如如：纯纯铁铁在在520C520C氮氮化化时时可可由由FeNFeN相相图图分分析析形形成成新新相相,WN,WN变化变化,形成新相不同。见图形成新相不同。见图4.174.17（P141P141）相：相：N N在在 FeFe中的间隙固溶体中的间隙固溶体 WN 0.11%WN 0.11%相：以相：以FeFe4 4N N为基的固溶体为基的固溶体 WN=5.7WN=5.76.1%6.1%相：相：FexNFexN x=2 x=23 WN=7.83 WN=7.811.0%11.0%反反反反应应应应扩扩扩扩散散散散特特特特点点点点：在在在在相相相相界界界界面面面面处处处处产产产产生生生生成成成成分分分分突突突突变变变变,突突突突变变变变的的的的浓浓浓浓度度度度正好对应于相图相的极限浓度。正好对应于相图相的极限浓度。正好对应于相图相的极限浓度。正好对应于相图相的极限浓度。4/24/202434 4.8 4.8 离子晶体扩散离子晶体扩散 离离子子晶晶体体中中扩扩散散离离子子只只能能进进入入具具有有同同样样电电荷荷的的位位置置。扩扩扩扩散散散散只只只只能能能能依依依依靠靠靠靠空空空空位位位位来来来来进进进进行行行行,而而而而且且且且空空空空位位位位分分分分布布布布有有有有其其其其特特特特殊殊殊殊性性性性。离离子子晶晶体体中中空空位位为为等等量量的的阳阳离离子子和和阴阴离离子子空空位位,呈呈无无序序分分布布,通通常称为肖脱基空位。常称为肖脱基空位。阳离子和阴离子平衡空位分数为式阳离子和阴离子平衡空位分数为式4.644.64式式 间隙阳离子和间隙阴离子的平衡浓度间隙阳离子和间隙阴离子的平衡浓度:4.65:4.65式式 上述两式与第三章上述两式与第三章3.73.7式相同。式相同。扩扩散散可可以以以以间间隙隙机机制制,也也可可以以以以空空位位机机制制,扩扩散散时时扩扩散散系数与电导率有关。系数与电导率有关。离离离离子子子子扩扩扩扩散散散散时时时时激激激激活活活活能能能能比比比比金金金金属属属属原原原原子子子子扩扩扩扩散散散散的的的的激激激激活活活活能能能能大大大大得得得得多多多多，其扩散速率远小于金属原子的扩散速率。其扩散速率远小于金属原子的扩散速率。其扩散速率远小于金属原子的扩散速率。其扩散速率远小于金属原子的扩散速率。4/24/202435本章要求的主要内容本章要求的主要内容 1.1.掌握一些基本概念：扩散定律、扩散系掌握一些基本概念：扩散定律、扩散系数、纯扩散、化学扩散、上坡扩散、下坡扩散、数、纯扩散、化学扩散、上坡扩散、下坡扩散、原子扩散、反应（相变）扩散、自扩散、互原子扩散、反应（相变）扩散、自扩散、互（异）扩散、扩散激活能，稳态扩散，非稳态（异）扩散、扩散激活能，稳态扩散，非稳态扩散，扩散通量、柯肯达尔效应扩散，扩散通量、柯肯达尔效应 2.2.固态金属中原子扩散的条件固态金属中原子扩散的条件 3.3.扩散定律的内容、适应条件、解及应用扩散定律的内容、适应条件、解及应用 4.4.扩散系数及其影响因素，扩散驱动力扩散系数及其影响因素，扩散驱动力 5.5.固相中原子扩散的各种机制固相中原子扩散的各种机制 6.6.扩散的分类扩散的分类4/24/202436