金属学与热处理8.2扩散定律优质PPT.ppt

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（不是原子的定向移：

（不是原子的定向移动）。

动）。

基本概念基本概念1n根据有无浓度变化根据有无浓度变化根据有无浓度变化根据有无浓度变化自自扩扩散散：

原原子子经经由由自自己己元元素素的的晶晶体体点点阵阵而而迁迁移移的的扩扩散散。

（如如纯金属或固溶体的晶粒长大纯金属或固溶体的晶粒长大-无浓度变化。

无浓度变化。

）互互扩扩散散：

原原子子通通过过进进入入对对方方元元素素晶晶体体点点阵阵而而导导致致的的扩扩散散。

（有浓度变化）（有浓度变化）n根据扩散方向根据扩散方向根据扩散方向根据扩散方向下坡扩散下坡扩散：

原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。

：

上坡扩散上坡扩散：

原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散。

扩散的分类扩散的分类2n根据是否出现新相根据是否出现新相根据是否出现新相根据是否出现新相原子扩散原子扩散：

扩散过程中不出现新相。

反应扩散反应扩散：

由之导致形成一种新相的扩散。

nn按原子的扩散路径按原子的扩散路径按原子的扩散路径按原子的扩散路径体扩散体扩散：

在晶粒内部进行的扩散。

表面扩散表面扩散：

在表面进行的扩散。

晶界扩散晶界扩散：

沿晶界进行的扩散。

3nn反应扩散反应扩散反应扩散反应扩散：

通过扩散而形成新相的现象称为多相扩散，：

通过扩散而形成新相的现象称为多相扩散，也称为也称为也称为也称为相变扩散相变扩散相变扩散相变扩散。

nn两个过程两个过程两个过程两个过程：

一是扩散过一是扩散过一是扩散过一是扩散过程；

一是界程；

一是界面上达到一面上达到一面上达到一面上达到一定浓度即发定浓度即发定浓度即发定浓度即发生相变的反生相变的反生相变的反生相变的反应过程。

应过程。

4克根达耳效应克根达耳效应KirkendallSmigelskasn这种不等量扩散导致标记物移动的现象称为这种不等量扩散导致标记物移动的现象称为柯肯达尔柯肯达尔效应效应。

n原因：

低熔点组元扩散快，高熔点组元扩散慢，就是原因：

低熔点组元扩散快，高熔点组元扩散慢，就是这种不等量的原子交换造成了克根达耳效应。

这种不等量的原子交换造成了克根达耳效应。

5扩散机制扩散机制间隙扩散机制间隙扩散机制间隙扩散机制间隙扩散机制溶质原子存在晶格的间隙中，如溶质原子存在晶格的间隙中，如Fe中的中的C、N、H等等元素，扩散过程是间隙原子从所处在的间隙，挤过晶格原元素，扩散过程是间隙原子从所处在的间隙，挤过晶格原子的空隙，到达相邻的另一个间隙。

子的空隙，到达相邻的另一个间隙。

空位扩散机制空位扩散机制空位扩散机制空位扩散机制条件：

一是有空位存在；

二是空位周围的原子从原来的平条件：

二是空位周围的原子从原来的平衡位置进入空位也要一定的激活能。

衡位置进入空位也要一定的激活能。

6（11）温度足够高；

）温度足够高；

（22）时间足够长；

）时间足够长；

（33）扩散原子能固溶；

）扩散原子能固溶；

（44）具有驱动力：

化学）具有驱动力：

化学位梯度。

位梯度。

固态金属扩散的条件固态金属扩散的条件7菲克第一定律菲克第一定律单位：

扩散通量，单位：

扩散通量，J，atoms/（m2s）或或kg/（m2s）扩散系数，扩散系数，D，m2/s；

浓度梯度浓度梯度，atoms/（m3m）或或kg/（m3m）扩散通量扩散通量浓度梯度浓度梯度扩散系数扩散系数在稳态扩散的条件下，单位时间内通过垂直于扩在稳态扩散的条件下，单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积的扩散物质量（通称扩散通量）与散方向的单位面积的扩散物质量（通称扩散通量）与该截面处的浓度梯度成正比。

该截面处的浓度梯度成正比。

8当当当当扩扩扩扩散散散散处处处处于于于于非非非非稳稳稳稳态态态态，即即即即各各各各点点点点的的的的浓浓浓浓度度度度随随随随时时时时间间间间而而而而改改改改变变变变时时时时，利利利利用用用用式式式式（11）不不不不容容容容易易易易求求求求出出出出。

为为为为便便便便于于于于求求求求出出出出，还还还还要要要要从从从从物物物物质的平衡关系着手，建立第二个微分方程式。

质的平衡关系着手，建立第二个微分方程式。

菲克第二定律菲克第二定律9假设：

假设：

11）两根无限长）两根无限长）两根无限长）两根无限长AA、BB合合合合金棒，各截面浓度均匀，金棒，各截面浓度均匀，金棒，各截面浓度均匀，金棒，各截面浓度均匀，浓度浓度浓度浓度CC22CC1122）两合金棒对焊，扩两合金棒对焊，扩两合金棒对焊，扩两合金棒对焊，扩散方向为散方向为散方向为散方向为xx方向方向方向方向33）合金棒无限长，棒）合金棒无限长，棒）合金棒无限长，棒）合金棒无限长，棒的两端浓度不受扩散影响的两端浓度不受扩散影响的两端浓度不受扩散影响的两端浓度不受扩散影响44）扩散系数）扩散系数）扩散系数）扩散系数DD是与浓度无关的常数是与浓度无关的常数是与浓度无关的常数是与浓度无关的常数根据上述条件可写出初始条件及边界条件根据上述条件可写出初始条件及边界条件根据上述条件可写出初始条件及边界条件根据上述条件可写出初始条件及边界条件初始条件：

初始条件：

t=0t=0时时时时,x0,x0则则则则C=CC=C11，x0,C=Cx0,C=C22边界条件：

边界条件：

t0t0时时时时,x=,C=C,x=,C=C11,x=,x=,C=C,C=C22（aa）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10式中可以看出，在式中可以看出，在式中可以看出，在式中可以看出，在x=0x=0x=0x=0处，处，处，处，保持不变。

保持不变。

11当当当当t=0t=0时，时，时，时，xx00，c=cc=c00；

当当当当tt00时，时，时，时，x=0x=0，c=c=ccss；

x=x=，c=c=当当当当cc00=0=0时时时时（bb）一端成分不受扩散影响的扩散体）一端成分不受扩散影响的扩散体表表表表面面面面浓浓浓浓度度度度保保保保持持持持恒恒恒恒定定定定，而而而而物物物物体体体体的的的的长长长长度度度度大大大大于于于于。

12在金属在金属B长棒的一端沉积一薄层金属长棒的一端沉积一薄层金属A，将这样的两个样，将这样的两个样品连接起来，就形成在两个金属品连接起来，就形成在两个金属B棒之间金属棒之间金属A的薄膜源。

的薄膜源。

BBAA0x33、衰减薄膜源、衰减薄膜源边界条件：

13扩散是一个基本的动力学过程，对材料制备、加扩散是一个基本的动力学过程，对材料制备、加工中的性能变化及显微结构形成以及材料使用过程中工中的性能变化及显微结构形成以及材料使用过程中性能衰减起着决定性的作用，对相应过程的控制，往性能衰减起着决定性的作用，对相应过程的控制，往往从影响扩散速度的因素入手来控制，因此，掌握影往从影响扩散速度的因素入手来控制，因此，掌握影响扩散的因素对深入理解扩散理论以及应用扩散理论响扩散的因素对深入理解扩散理论以及应用扩散理论解决实际问题具有重要意义。

解决实际问题具有重要意义。

8.38.3影响扩散的因素影响扩散的因素14扩散系数是决定扩散速度的重要参量。

讨论影响扩散系数是决定扩散速度的重要参量。

讨论影响扩散系数因素的基础常基于下式扩散系数因素的基础常基于下式扩散系数因素的基础常基于下式扩散系数因素的基础常基于下式从数学关系上看，扩散系数主要决定于温度，显从数学关系上看，扩散系数主要决定于温度，显于函数关系中，其他一些因素则隐含于于函数关系中，其他一些因素则隐含于D0和和Q中。

这中。

这些因素可分为外在因素和内在因素两大类。

些因素可分为外在因素和内在因素两大类。

15无无论论是是间间隙隙机机制制，还还是是空空位位机机制制，都都遵遵循循热热激激活活规规律律，温温度度提提高高，能能超超过过能能垒垒的的几几率率越越大大，同同时时晶晶体体的的平平衡衡空空位位浓浓度度也也越高，这些都是提高扩散系数的原因。

扩散系数与温度越高，这些都是提高扩散系数的原因。

扩散系数与温度TT成指数成指数扩散系数与扩散系数与TT的对数坐标的对数坐标图中斜率图中斜率tgtg=Q/R=Q/R（11）温度）温度）温度）温度关关系系。

对对固固体体中中扩扩散散型型相相变变、晶晶粒粒长长大大，化化学学热热处处理理有有重重要要影影响响。

例例如如：

工工业业渗渗碳碳：

10271027比比927927时时，DD增增加加三三倍倍，即即渗渗碳碳速速度度加加快三倍。

快三倍。

16扩散系数与温度的关系1000/T扩散系数扩散系数D（m2/s）17nn扩散介质结构越紧密，扩散越困难，反之亦然。

扩散介质结构越紧密，扩散越困难，反之亦然。

例如在一定温度下，锌在具有体心立方点阵结构例如在一定温度下，锌在具有体心立方点阵结构（单位晶单位晶胞中含胞中含22个原子个原子）的的-黄铜中的扩散系数大于具有在面心黄铜中的扩散系数大于具有在面心立方点阵结构立方点阵结构（单位晶胞中含单位晶胞中含44个原子个原子）时时-黄铜中的扩黄铜中的扩散系数。

散系数。

（22）扩散介质结构的影响）扩散介质结构的影响）扩散介质结构的影响）扩散介质结构的影响nn对于形成固溶体系统，则固溶体结构类型对扩散有着显对于形成固溶体系统，则固溶体结构类型对扩散有着显对于形成固溶体系统，则固溶体结构类型对扩散有着显对于形成固溶体系统，则固溶体结构类型对扩散有着显著影响。

著影响。

例如，间隙型固溶体比置换型容易扩散。

18nn同素异晶转变的金属中，同素异晶转变的金属中，同素异晶转变的金属中，同素异晶转变的金属中，DD随晶体结构改变。

随晶体结构改变。

例如：

910时，时，D-Fe/D-Fe=280，-Fe致密度低，致密度低，且易形成空位。

且易形成空位。

-Fe具有最密排的点阵结构，致密具有最密排的点阵结构，致密度高，其中铁原子的自扩散激活能大，扩散系数小，度高，其中铁原子的自扩散激活能大，扩散系数小，从而使其热强性好。

故具有从而使其热强性好。

故具有型晶体结构的奥氏体钢型晶体结构的奥氏体钢可作为高温用钢。

可作为高温用钢。

19nn晶体各向异性使晶体各向异性使晶体各向异性使晶体各