金属学第四章固体中的扩散课件.ppt

1、p 扩散的宏观规律扩散的宏观规律 Fick第一定律、第一定律、Fick第二定律及其第二定律及其应用应用、Kirkendall效应效应、反应扩散反应扩散p 扩散的热力学分析扩散的热力学分析p 扩散的微观理论扩散的微观理论 原子的跃迁与扩散、扩散的微观机制、原子的跃迁与扩散、扩散的微观机制、扩散激活能的测定等。扩散激活能的测定等。p 影响扩散的因素影响扩散的因素 温度、晶体结构、晶体缺陷、元素的性质、温度、晶体结构、晶体缺陷、元素的性质、扩散物质的浓度扩散物质的浓度 在晶体中，原子在晶体中，原子后，跳跃到近邻的后，跳跃到近邻的位置上去，导致物质的传输，这种过程就是固态扩散。位置上去，导致物质的传输

2、，这种过程就是固态扩散。p 微观特点：原子的热运动和跃迁杂乱无章。微观特点：原子的热运动和跃迁杂乱无章。p 宏观特点：大量原子的跃迁具有统计规律性。如存在浓度宏观特点：大量原子的跃迁具有统计规律性。如存在浓度梯度时，会出现物质原子的定向迁移。梯度时，会出现物质原子的定向迁移。p 金属的凝固金属的凝固p 偏析偏析p 成分均匀化成分均匀化p 各种扩散型固态相变各种扩散型固态相变p 渗碳、脱碳渗碳、脱碳p 烧结烧结p 氧化氧化p 焊接焊接p 高温蠕变高温蠕变p 根据根据 C/t是否随时间变化分类是否随时间变化分类 稳态扩散和非稳态扩散稳态扩散和非稳态扩散p 根据根据 C/x分类分类 C/x=0 自扩

3、散，在纯金属和均匀合金中进行自扩散，在纯金属和均匀合金中进行 C/x 0 互扩散，上坡扩散和下坡扩散互扩散，上坡扩散和下坡扩散p 根据扩散途径分类根据扩散途径分类 体扩散、晶界扩散、表面扩散、短程扩散体扩散、晶界扩散、表面扩散、短程扩散(沿位错进行的扩散沿位错进行的扩散)p 根据合金组织分类根据合金组织分类 单相扩散、单相扩散、多相扩散多相扩散 发生扩散时，在发生扩散时，在FeFe棒内产棒内产生浓度梯度，在生浓度梯度，在 t t时间内沿时间内沿x x方向通过方向通过x x处截面处截面A A所迁移所迁移的物质量的物质量 m m与与x x处的浓度梯处的浓度梯度成正比：度成正比：p J为扩散通量，表

4、示为扩散通量，表示单位时间单位时间内通过垂直于扩散方向内通过垂直于扩散方向x的的单位面积单位面积的的扩散物质质量扩散物质质量，其单位为，其单位为g/(cm2 s)；p D为扩散系数，单位为为扩散系数，单位为cm2/s；p C是扩散物质的浓度，其单位为是扩散物质的浓度，其单位为g/cm3。p 负号表示扩散方向与质量浓度梯度方向相反负号表示扩散方向与质量浓度梯度方向相反 公式适用范围公式适用范围：只适用于浓度梯度：只适用于浓度梯度 C/x不随时间变化的不随时间变化的稳态扩散。稳态扩散。p 是一种唯象的关系，并不涉及扩散系统内部原子运动的微是一种唯象的关系，并不涉及扩散系统内部原子运动的微观过程。观

5、过程。p 扩散系数扩散系数D反映了扩散系统的特性，并不仅仅取决于某一种反映了扩散系统的特性，并不仅仅取决于某一种组元的特性。组元的特性。p 不仅适用于扩散系统的任何位置，而且适合于扩散过程的不仅适用于扩散系统的任何位置，而且适合于扩散过程的任一时刻。其中任一时刻。其中J、D、C/x可以是常量可以是常量(稳态扩散稳态扩散)，也可，也可以是变量以是变量(非稳态扩散非稳态扩散)。FickFick第一定律的要点第一定律的要点通过通过C C原子在原子在-Fe-Fe中的扩散来测定中的扩散来测定D D 选择一纯选择一纯FeFe的空心圆筒，内部通过含碳性的气氛，外部则的空心圆筒，内部通过含碳性的气氛，外部则为

6、脱碳气氛。在一定温度下，经过一定的时间后，为脱碳气氛。在一定温度下，经过一定的时间后，C C原子从原子从FeFe筒的内壁渗入，外壁渗出。筒的内壁渗入，外壁渗出。当当C原子从内壁渗入、外壁渗原子从内壁渗入、外壁渗出过程达到平衡时，则为稳态出过程达到平衡时，则为稳态扩散。这时，圆筒本身不再吸扩散。这时，圆筒本身不再吸碳，圆柱体内各处的碳浓度不碳，圆柱体内各处的碳浓度不再随时间而变化，即再随时间而变化，即dC/dt=0。单位面积中的单位面积中的C C流量为：流量为：J=q/(At)=q/(2rLt)J=q/(At)=q/(2rLt)q q为通过圆筒壁的总碳量，为通过圆筒壁的总碳量，A A为圆筒总面积

7、，为圆筒总面积，r r为园筒半径，为园筒半径，L L为筒长。为筒长。q可通过炉内流出的脱碳气体的增碳求得，可通过炉内流出的脱碳气体的增碳求得，L、r 均为已均为已知值。可以通过剥层法测出不同知值。可以通过剥层法测出不同r处的碳含量，作出处的碳含量，作出C-lnr的的曲线，由此就可求得曲线，由此就可求得D。Fick第一定律第一定律只适用于浓度梯度只适用于浓度梯度 C/x不随时不随时间变化的稳态扩散。间变化的稳态扩散。实际上在扩散过程中，扩散方向上各处的扩散实际上在扩散过程中，扩散方向上各处的扩散物质的浓度梯度是随时间而变化的，即为非稳态扩物质的浓度梯度是随时间而变化的，即为非稳态扩散，因此必须在

8、扩散方程中引入时间参数。散，因此必须在扩散方程中引入时间参数。p一维扩散一维扩散流入体积元的物质量流入体积元的物质量J J1 1流出体积元的物质量流出体积元的物质量J J2 2 体积元中物质的积累量体积元中物质的积累量 m m p三维扩散三维扩散u各个方向上的扩散系数相同各个方向上的扩散系数相同u各个方向上的扩散系数不同各个方向上的扩散系数不同 设在设在x、y、z三个方向上的扩散系数依次为三个方向上的扩散系数依次为Dx、Dy、Dz，则有：，则有：FickFick第二定律的适用条件第二定律的适用条件：pD为常数为常数p单向单向(x方向方向)扩散，沿扩散，沿x方向的截面积大小不变方向的截面积大小不

9、变p非稳态扩散，即浓度非稳态扩散，即浓度C为为x和和t的函数或不同位置处的函数或不同位置处的浓度随时间而改变的浓度随时间而改变(是相对于扩散区长度而言的是相对于扩散区长度而言的)解扩散方程的目的是求出任何时刻解扩散方程的目的是求出任何时刻t的浓度分布。采用的浓度分布。采用求解：求解：已知已知D、t、x等参数，便可求得相应的等参数，便可求得相应的 值。不同值。不同 值所对值所对应的应的erf()可查表求出，结合已知的可查表求出，结合已知的C1、C2便可得到便可得到C值。值。由于由于D是温度的函数，因此该式表示了扩散的温度、时间、是温度的函数，因此该式表示了扩散的温度、时间、位置和浓度四者之间的关

10、系。位置和浓度四者之间的关系。根据已知条件根据已知条件确定边界条件确定边界条件由边界条件由边界条件求解求解erf()求解C公式讨论：公式讨论：求求 t0时，时，x=0处的浓度处的浓度C。X=0时，0，则erf()=erf(0)=0C=(C1+C2)/2以以Fe中的渗碳反应为例中的渗碳反应为例边界条件：边界条件：t=0时时 如如x0 则则C=C1t0时时 如如x=0 则则 C=C2 如如x=则则 C=C1当当C10时，则有：时，则有：(课本课本P163)假定假定Fe棒渗碳时，以浓度高于棒渗碳时，以浓度高于C0的厚度作为渗碳层深度，的厚度作为渗碳层深度，求解渗碳层深度和所需的渗碳时间。求解渗碳层深

11、度和所需的渗碳时间。在实际操作中，可以先做一次试验，即取一根与工件相同在实际操作中，可以先做一次试验，即取一根与工件相同材料的试棒，经一定的温度材料的试棒，经一定的温度T1和一定时间和一定时间t1渗碳后，测出试棒渗碳后，测出试棒中渗碳层的深度中渗碳层的深度x1，从而求出，从而求出K值。值。一块厚钢板的一块厚钢板的C C0 0=0.1=0.1，在，在930930渗碳，表面碳浓度保持渗碳，表面碳浓度保持 C Cs s=1=1，设扩散系数为常数，设扩散系数为常数:D D=0.738exp-158.98/=0.738exp-158.98/RTRT 问距表面问距表面0.05cm(0.05cm()处碳浓度

12、升至处碳浓度升至C=0.45C=0.45所需要所需要的时间。的时间。若在距表面若在距表面0.1cm0.1cm处获得同样的浓度处获得同样的浓度(0.45%)(0.45%)所需时所需时间又是多少间又是多少?解：先求出在解：先求出在930930的扩散系数的扩散系数 D D=0.738exp-158.98(kJ/mol)/=0.738exp-158.98(kJ/mol)/RT RT =0.738exp-158.98/8.314 =0.738exp-158.98/8.314 12031203 =9.22 =9.22 1010-8-8(cm(cm2 2s s-1-1)(课本课本P163)浓度分布符合误差函

13、数解浓度分布符合误差函数解现在现在Cs=1，C0=0.1，C=0.45；代入误差函数解，求得误差函数：；代入误差函数解，求得误差函数：查误差函数数值表查误差函数数值表(或用近似式计算或用近似式计算)得得:x x=0.05cm=0.05cm 浓度为浓度为0.450.45所需要的时间所需要的时间t:t:在同一温度下两个不同距离在同一温度下两个不同距离x1和和x2所对应的时间所对应的时间t1和和t2为：为：设溶质沿设溶质沿x轴为正弦曲线分布。式中，轴为正弦曲线分布。式中，C0平均浓度；平均浓度；Cmax最大浓度最大浓度 在置换式固溶体中，由于两种原子以不同的速度相对扩在置换式固溶体中，由于两种原子以

14、不同的速度相对扩散而造成标记面漂移的现象被称之为散而造成标记面漂移的现象被称之为1947年年Kirkendall等人用实验证明了等人用实验证明了在互扩散过程中组在互扩散过程中组元的扩散系数不同元的扩散系数不同以及置换式扩散的以及置换式扩散的空位机制空位机制对于对于A-B置换式固溶体，两组元的扩散通量分别是：置换式固溶体，两组元的扩散通量分别是：在在Cu-Au、Cu-Ni、Cu-Sn、Ni-Au、Ag-Cu、Ag-Zn合合金中均有此现象。金中均有此现象。扩散系数与两组元的扩散系数扩散系数与两组元的扩散系数DA和和DB有关，称为有关，称为。p 揭示了置换式固溶体的扩散机制。揭示了置换式固溶体的扩散

15、机制。p Kirkendall效应往往会产生一些副作效应往往会产生一些副作用。若扩散时晶体收缩完全，则原始用。若扩散时晶体收缩完全，则原始界面发生移动；若收缩不完全，则低界面发生移动；若收缩不完全，则低熔点金属的一侧会形成分散的或集中熔点金属的一侧会形成分散的或集中的空位，浓度会超过平衡浓度，形成的空位，浓度会超过平衡浓度，形成Kirkendall孔洞，并造成晶体表面凹孔洞，并造成晶体表面凹凸不平。因而，往往引起电子器件的凸不平。因而，往往引起电子器件的断线、击穿、性能劣化、失效或达不断线、击穿、性能劣化、失效或达不到烧结致密化等不利影响。到烧结致密化等不利影响。随着扩散的进行，金属表层中渗入

16、元素的浓度随着扩散的进行，金属表层中渗入元素的浓度不断增大，若超过其在基体中的溶解度，则将在金不断增大，若超过其在基体中的溶解度，则将在金属表层形成一层新相，这种伴有相变发生的扩散称属表层形成一层新相，这种伴有相变发生的扩散称为为反应扩散反应扩散。在二元系中发生反应扩散时，在二元系中发生反应扩散时，不可能有两相混合区出现不可能有两相混合区出现p 相律法相律法 根据相律：根据相律：f=C-P+2 扩散时温度和压力不变，故扩散时温度和压力不变，故f=C-P=2-Pu单相区的P=1，f=1，说明该相的浓度可变，因此扩散时可以有浓度梯度，即可以发生扩散。u若存在两相区，f=0，意味着每个相的浓度均不能

17、改变，说明在此两相区内不会发生扩散。p 化学位法化学位法 在两相平衡区，各元素的化学位相等，则在两相平衡区，各元素的化学位相等，则/x=0，即没有扩散驱动力，扩散无法进行。即没有扩散驱动力，扩散无法进行。解 释 反应扩散速度是由原子在化合物层中的扩散速度和界面生反应扩散速度是由原子在化合物层中的扩散速度和界面生成化合物层的反应速度两个因素决定的。成化合物层的反应速度两个因素决定的。p 反应扩散速度受原子在化合物层的反应扩散速度受原子在化合物层的扩散速度扩散速度因素所控制时，因素所控制时，化合物层厚度与时间呈抛物线关系。化合物层厚度与时间呈抛物线关系。x2Kt 其中其中x是化合物层的厚度；是化合

18、物层的厚度；t为时间；为时间；K为常数。为常数。p 生成化合物的生成化合物的反应速度反应速度是控制因素时，化合物层厚度呈线性是控制因素时，化合物层厚度呈线性生长规律：生长规律：xKt 纯铁在纯铁在880 C渗碳，随着扩散过程的进行，碳原子不断渗渗碳，随着扩散过程的进行，碳原子不断渗入，入，和和 两个单相区的界面将向铁棒右端移动，相界面两侧的两个单相区的界面将向铁棒右端移动，相界面两侧的浓度分别保持浓度分别保持C2、C1不变。不变。属于属于半无限大物体中的非稳态扩散问题半无限大物体中的非稳态扩散问题碳原子不断向纯碳原子不断向纯Fe内扩散。内扩散。可通过式可通过式C=C0(1-erfx/2(Dt)

19、1/2求出沿纯求出沿纯Fe表面向内各表面向内各点在各个时间的碳浓度。点在各个时间的碳浓度。工业上把两种不同金属粘接在一起的方法有：工业上把两种不同金属粘接在一起的方法有：这些方法都是这些方法都是的。只有当两种金属的。只有当两种金属具有一定的固溶度时，它们之间经高温扩散后才能粘接具有一定的固溶度时，它们之间经高温扩散后才能粘接牢靠，使之成为一整体。牢靠，使之成为一整体。有些金属在粘接过程中，除了在粘合面处形成固溶体外，还会有些金属在粘接过程中，除了在粘合面处形成固溶体外，还会形成脆性金属间化合物，若控制不当，镀层易于剥落。如在钢形成脆性金属间化合物，若控制不当，镀层易于剥落。如在钢板镀锌时，在板

20、镀锌时，在450 C时从里到外可出现时从里到外可出现Zn、和和 五个五个单相区。单相区。航空用的硬铝合金板，为提高其耐蚀性，往往在航空用的硬铝合金板，为提高其耐蚀性，往往在板坯表面包一层纯铝，通过热轧扩散使其焊合在板坯表面包一层纯铝，通过热轧扩散使其焊合在一起，焊合层一般不会出现脆性相。但若硬铝中一起，焊合层一般不会出现脆性相。但若硬铝中某些合金元素过多地扩散到包铝层中就会损害某些合金元素过多地扩散到包铝层中就会损害其耐蚀性。其耐蚀性。p 顺顺(下坡下坡)扩散扩散 当浓度梯度的方向与化学势梯度方向一致时，溶质当浓度梯度的方向与化学势梯度方向一致时，溶质原子就会从高浓度地区向低浓度地区迁移，产生

21、所谓原子就会从高浓度地区向低浓度地区迁移，产生所谓“顺扩散顺扩散”。结果能使成分趋向均匀。例：铸锭均匀化。结果能使成分趋向均匀。例：铸锭均匀化退火退火p 逆（上坡）扩散逆（上坡）扩散 当浓度梯度方向与化学势梯度方向不一致时，溶质当浓度梯度方向与化学势梯度方向不一致时，溶质原子就会朝浓度梯度相反的方向迁移，即从低浓度区向原子就会朝浓度梯度相反的方向迁移，即从低浓度区向高浓度区进行所谓高浓度区进行所谓“逆扩散逆扩散”，使合金发生区域性的不，使合金发生区域性的不均匀。均匀。例：晶界偏聚、沉淀相析出等。例：晶界偏聚、沉淀相析出等。从热力学的角度看，扩散是由于化学位的不从热力学的角度看，扩散是由于化学位

22、的不同而引起的，各组元的原子总是由高化学位区向同而引起的，各组元的原子总是由高化学位区向低化学位区扩散。低化学位区扩散。在恒温恒压下，固溶体的自由在恒温恒压下，固溶体的自由能变化能变化G0时，时，D0，原子的扩散通量，原子的扩散通量Ji与浓度与浓度梯度梯度 C/x的方向相反，发生的方向相反，发生下坡扩散下坡扩散。p1+(ln i)/(lnCi)0时，时，D0，原子的扩散通量，原子的扩散通量Ji与浓度与浓度梯度梯度 C/x的方向相同，即发生的方向相同，即发生上坡扩散上坡扩散。不管是上坡扩散还是下坡扩散，其结果总是导致扩不管是上坡扩散还是下坡扩散，其结果总是导致扩散组元化学势梯度的减小，直至化学势

23、梯度为零。散组元化学势梯度的减小，直至化学势梯度为零。DiBiRT(1+ln i/lnCi)v各种各种晶体缺陷晶体缺陷都会造成晶体的内应力和能量分布的不均匀都会造成晶体的内应力和能量分布的不均匀 (晶界和刃位错处晶界和刃位错处)。v大的大的电场电场或或温度场温度场也促使晶体中原子按一定方向扩散，也促使晶体中原子按一定方向扩散，造成扩散原子的不均匀性。造成扩散原子的不均匀性。v弹性应力弹性应力的作用的作用：平均每个原子在平均每个原子在1s1s内跃内跃迁到近邻位置的次数。迁到近邻位置的次数。：平均每个原子在做任意：平均每个原子在做任意跃迁时，由晶面跃迁时，由晶面跃迁到晶面跃迁到晶面的的几率。几率。

24、：每个原子在：每个原子在1s1s内能够内能够由晶面由晶面跃迁到晶面跃迁到晶面的次数。的次数。n n1 1、n n2 2：、晶面上的原子数晶面上的原子数u则在则在 t时间内晶面时间内晶面上原子数的上原子数的净增量净增量为：为：J t=N12-N21=(n1-n2)Pt uJ为扩散通量为扩散通量(单位时间内流过单位面积截面上的物质量单位时间内流过单位面积截面上的物质量)J=(n1-n2)P u又晶面又晶面和晶面和晶面所含原子的体积浓度分别为：所含原子的体积浓度分别为：C1n1/(1 d)=n1/a C2n2/(1 d)=n2/d=C1+C/x a n2-n1=C/x a2 J=-a2 P C/x

25、与与Fick第一定律对比，得：第一定律对比，得：D=a2 P 扩散系数扩散系数D与两个晶面的垂直距离与两个晶面的垂直距离a、溶质原、溶质原子子 从一个晶面向另一个晶面跃迁的几率从一个晶面向另一个晶面跃迁的几率P和原子的和原子的跳动频率跳动频率 成正比。成正比。p间隙型扩散间隙型扩散 DD0exp(-E/kT)E溶质原子发生跳动时所需的额外能量溶质原子发生跳动时所需的额外能量p置换型扩散置换型扩散 DD0exp-(Ev+E)/kT)Ev空位形成能，空位形成能，E溶质原子发生跳动时所需的额外能量。溶质原子发生跳动时所需的额外能量。p表面扩散表面扩散p晶界扩散晶界扩散p位错扩散位错扩散u间隙机制间隙

26、机制u空位机制空位机制u交换机制交换机制 适合于适合于。扩散原子由所在间隙位置跳跃至另。扩散原子由所在间隙位置跳跃至另一相邻的间隙中。如一相邻的间隙中。如C原子在原子在Fe中的扩散过程。中的扩散过程。p结构条件：结构条件：间隙原子的周围必须存在可供其跃迁且未间隙原子的周围必须存在可供其跃迁且未被其它原子占据的间隙位置。晶体结构类被其它原子占据的间隙位置。晶体结构类型不同，其间隙位置的种类、数量、分布型不同，其间隙位置的种类、数量、分布也会不同，间隙原子的跃迁几率也会不同，间隙原子的跃迁几率P不同。不同。p能量条件：能量条件：间隙原子应具有足够的能量以克眼周围原间隙原子应具有足够的能量以克眼周围

27、原子对其跃迁的阻力。子对其跃迁的阻力。G=G2-G1就是间隙原子跃迁时要克服的能垒。只有那些就是间隙原子跃迁时要克服的能垒。只有那些自由能超过自由能超过G2的间隙原子才能买现跃迁。的间隙原子才能买现跃迁。=Z exp(-G/kT)D=a2P =a2PZ exp(-G/kT)=D0exp(-G/kT)D0=a2PZ 中溶质原子中溶质原子扩散一般采用扩散一般采用机制进行。机制进行。：扩散原子近邻存在空位并：扩散原子近邻存在空位并且具有足以越过能垒的能量。且具有足以越过能垒的能量。=Z exp(-Ev/kT+Sv/T)exp(-E/kT+S/T)D=a2P=a2PZ exp(-Ev/kT+Sv/T)

28、exp(-E/kT+S/T)=D0exp(-Q/kT)，p环形扩散机制环形扩散机制p填隙子机制填隙子机制p挤列子机制挤列子机制D=DD=D0 0e e-Q/RT-Q/RTlnDlnD=lnD=lnD0 0-Q/RT-Q/RTQ Q为原子的扩散激活能。为原子的扩散激活能。通过实验测出通过实验测出lnD随随1/T变化的对变化的对应值，作图可得到一条直线，该直应值，作图可得到一条直线，该直线的斜率为线的斜率为Q/RQ/R，由此可以求出，由此可以求出Q Q。空位机制的扩散激活能等于空位机制的扩散激活能等于1mol空位的形成能和使这些空位与原子空位的形成能和使这些空位与原子换位所需能量的和，因此激活能比

29、换位所需能量的和，因此激活能比间隙机制的要大。间隙机制的要大。D=DD=D0 0e e-Q/RT -Q/RT D0=a2PZ D0=a2PZ exp(Sv+S/T)随温度的升高，扩散系数随温度的升高，扩散系数D急剧增大：急剧增大：p温度升高，借助热起伏，获得足够能量而越过势垒进温度升高，借助热起伏，获得足够能量而越过势垒进行扩散的原子的几率增大。行扩散的原子的几率增大。p温度升高空位浓度增大，有利于扩散。温度升高空位浓度增大，有利于扩散。p 晶格类型：密堆结构中的扩散比在非密堆结构中的要慢。晶格类型：密堆结构中的扩散比在非密堆结构中的要慢。这个规律对溶剂、溶质、置换原子或间隙原子都适用。这个规

30、律对溶剂、溶质、置换原子或间隙原子都适用。p 在具有同素异构转变的金属中，扩散系数随晶体结构的在具有同素异构转变的金属中，扩散系数随晶体结构的改变会有明显的变化。改变会有明显的变化。p 固溶体类型：固溶体类型：置换式固溶体中置换原子通过空位机制扩置换式固溶体中置换原子通过空位机制扩散时，需要首先形成空位。因此置换式原子的扩散激活散时，需要首先形成空位。因此置换式原子的扩散激活能比间隙原子大得多。能比间隙原子大得多。密排六方晶系的锌也具有密排六方晶系的锌也具有方向性，平行于方向性，平行于0001方向上方向上的扩散系数小于垂直方向上的的扩散系数小于垂直方向上的扩散系数。因为平行扩散系数。因为平行0

31、001方方向上的扩散，原子要通过原子向上的扩散，原子要通过原子排列最密的排列最密的(0001)面，所以要面，所以要困难一些，但这种异向性随温困难一些，但这种异向性随温度的升高逐渐减小。度的升高逐渐减小。原子沿原子沿线缺陷线缺陷(位错位错)和和面缺陷面缺陷(晶界和自由表面等晶界和自由表面等)的扩散的扩散称为称为“短路扩散短路扩散”。p 温度较低时，短路扩散起主要作用；温度较高时，体扩散起温度较低时，短路扩散起主要作用；温度较高时，体扩散起主要作用。温度较低且恒定时，晶粒越细则扩散系数越大。主要作用。温度较低且恒定时，晶粒越细则扩散系数越大。p 在固体表面、界面、位错芯部，由于缺陷密度高，扩散激活

32、在固体表面、界面、位错芯部，由于缺陷密度高，扩散激活能小，原子迁移率大。能小，原子迁移率大。p 一般表面扩散激活能约为点阵扩散激活能的一般表面扩散激活能约为点阵扩散激活能的0.5倍以下，晶界倍以下，晶界扩散核位错扩散激活能是点阵扩散激活能的扩散核位错扩散激活能是点阵扩散激活能的0.60.7.p 间隙固溶体的溶质原子尺寸较小，故其短路扩散和点阵扩散间隙固溶体的溶质原子尺寸较小，故其短路扩散和点阵扩散激活能相近。激活能相近。在晶界和自由表面附近，原子在晶界和自由表面附近，原子的规则排列受到不同程度的破坏，的规则排列受到不同程度的破坏，点阵畸变严重，空位密度和空位的点阵畸变严重，空位密度和空位的迁移

33、率均比晶内高，因此在这些面迁移率均比晶内高，因此在这些面缺陷处，扩散激活能较低，借助空缺陷处，扩散激活能较低，借助空位扩散机制的扩散就容易进行。位扩散机制的扩散就容易进行。p催化催化p腐蚀腐蚀p氧化氧化p粉末烧结粉末烧结p气相沉积气相沉积p晶体生长晶体生长 位错线好像一根具有一定空隙度的管道，如果扩位错线好像一根具有一定空隙度的管道，如果扩散元素沿位错管道迁移，所需要的激活能较小散元素沿位错管道迁移，所需要的激活能较小(约为体约为体扩散激活能的扩散激活能的1/2)，所以扩散速率较高。，所以扩散速率较高。但是由于位错线所占横截面相对晶粒的横截面来说但是由于位错线所占横截面相对晶粒的横截面来说是很

34、小的，所以在高温下，位错对晶体总扩散的贡献是很小的，所以在高温下，位错对晶体总扩散的贡献并不大，只有在较低温度下才显出其重要性。并不大，只有在较低温度下才显出其重要性。1.1.组元特性组元特性 扩散激活能和表征原子间结合力的微观参量及宏观材扩散激活能和表征原子间结合力的微观参量及宏观材料有关。溶质元素的熔点越高，其扩散激活能越大。料有关。溶质元素的熔点越高，其扩散激活能越大。从微观参量上讲，固溶体中组元的从微观参量上讲，固溶体中组元的原子尺寸相差愈大原子尺寸相差愈大，则畸变能就愈大，溶质原子离开畸变位置进行则畸变能就愈大，溶质原子离开畸变位置进行扩散就越容扩散就越容易易，则，则D越大；组元间的

35、亲和力愈强，即电负性相差愈大，越大；组元间的亲和力愈强，即电负性相差愈大，则溶质原子的扩散就愈困难。则溶质原子的扩散就愈困难。通常溶解度越小的元素扩散越容易。通常溶解度越小的元素扩散越容易。2.2.第三组元的影响第三组元的影响 在二元合金中，加入某些第二组元也会对原子扩散产生在二元合金中，加入某些第二组元也会对原子扩散产生影响。例如：影响。例如：p 与碳原子形成碳比物倾向强烈的元素，如与碳原子形成碳比物倾向强烈的元素，如W、Mo、Cr等，等，因其与碳的亲和力大，能显著地阻止碳的扩散；因其与碳的亲和力大，能显著地阻止碳的扩散；p 形成碳化物倾向较弱的元素，如形成碳化物倾向较弱的元素，如Mn等对扩

36、散影响不大。等对扩散影响不大。p 不形成碳化物而固溶于基体的元素影响互不相同，不形成碳化物而固溶于基体的元素影响互不相同，Co、Ni等提高碳的扩散系数，而等提高碳的扩散系数，而Si则降低碳的扩散系数。则降低碳的扩散系数。改变了改变了C的活度，引起晶格畸变、改变了的活度，引起晶格畸变、改变了C原原子的迁移率，从而改变了扩散激活能；细化了晶子的迁移率，从而改变了扩散激活能；细化了晶粒组织，增加了短路扩散的通道；合金元素使空粒组织，增加了短路扩散的通道；合金元素使空位的浓度改变，由于短程交互作用，改变了杂质位的浓度改变，由于短程交互作用，改变了杂质近邻原子的跃迁几率等。近邻原子的跃迁几率等。3.3.

37、组元浓度组元浓度 一般说来，扩散系数是浓度的函数。一般说来，扩散系数是浓度的函数。为了便于求解菲克第二定律，把扩散系数认为是与为了便于求解菲克第二定律，把扩散系数认为是与浓度无关的常数，但在许多固溶体合金中，溶质的扩浓度无关的常数，但在许多固溶体合金中，溶质的扩散系数随浓度的增加而增加。散系数随浓度的增加而增加。溶质对扩散系数的影响是通过溶质对扩散系数的影响是通过Q和和D0两个参数起作两个参数起作用的。通常是用的。通常是Q值增加，值增加，D0也增加；反之也增加；反之Q值减小，值减小，D0也减小。也减小。由于在相同条件下，间隙型扩散所需激活能要由于在相同条件下，间隙型扩散所需激活能要比空位型扩散

38、的激活能小。所以间隙原子的扩散要比空位型扩散的激活能小。所以间隙原子的扩散要比置换原于的扩散快。比置换原于的扩散快。外界压力、形变量、残余应力，温度梯度、外界压力、形变量、残余应力，温度梯度、应力梯度、电场梯度等应力梯度、电场梯度等p 扩散的宏观规律扩散的宏观规律 Fick第一定律、第一定律、Fick第二定律及其应用、第二定律及其应用、Kirkendall效应、反应扩散效应、反应扩散p 扩散的热力学分析扩散的热力学分析p 扩散的微观理论扩散的微观理论 原子跃迁与扩散、扩散微观机制、扩散激活能测定等。原子跃迁与扩散、扩散微观机制、扩散激活能测定等。p 影响扩散的因素影响扩散的因素 温度、晶体结构、缺陷、元素的性质、温度、晶体结构、缺陷、元素的性质、扩散物质的浓度扩散物质的浓度