金属学与热处理8.1扩散PPT推荐.ppt

1、KirkendallSmigelskasErnest Kirkendall 4 这种不等量扩散导致钼丝移动的现象称为柯肯达这种不等量扩散导致钼丝移动的现象称为柯肯达尔效应。多种置换型扩散偶中都有尔效应。多种置换型扩散偶中都有柯肯达尔效应，例柯肯达尔效应，例如如Ag-Au，Ag-Cu，Au-Ni，Cu-Sn等。等。造成这种现象的原因是：低熔点组元扩散快，高造成这种现象的原因是：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。克根达耳效应。AuNiAuNi扩散前扩散前扩散后扩散后56扩散扩散扩散扩散：热激活的原子通过自身

2、的热振动克服束缚而迁移它：热激活的原子通过自身的热振动克服束缚而迁移它处的过程。处的过程。在在一个相内因分子或原子的热激活运动导致成分混合一个相内因分子或原子的热激活运动导致成分混合或均匀化的分子动力学过程。或均匀化的分子动力学过程。本本本本质质质质：原原子子无无序序跃跃迁迁的的统统计计结结果果。（不不是是原原子子的的定定向向移移动动）。半导体掺杂半导体掺杂固溶体的形成固溶体的形成离子晶体的导电离子晶体的导电固相反应固相反应相变相变烧结烧结材料表面处理材料表面处理 扩散扩散7 表面硬化表面硬化:-碳原子扩散到铁表面的碳原子扩散到铁表面的几层铁原子中几层铁原子中 -例子：齿轮的表面硬化例子：齿轮

3、的表面硬化 结果结果:-变形抗力增大变形抗力增大:C 对剪切对剪切（滑移）起到钉扎的作用（滑移）起到钉扎的作用-不易开裂：不易开裂：C原子使表面受原子使表面受到压应力的作用到压应力的作用扩散的应用扩散的应用 （1）8 在硅中在硅中掺杂磷制备掺杂磷制备N N型型半导体半导体:工艺91.1.在在SiSi表面沉积富表面沉积富P P层层2.2.加热加热3.3.结果结果:得到掺杂的得到掺杂的半导体区域半导体区域SEM images and dot maps扩散的应用扩散的应用 （2）magnified image of a computer chip0.5mmlight regions:Si atoms

4、light regions:Al atoms9 交交交交换换换换机机机机制制制制通通通通过过过过相相相相邻邻邻邻两两两两原原原原子子子子交交交交换换换换位位位位置置置置而而而而实实实实现现现现。但但但但两两两两个个个个原原原原子子子子交交交交换换换换位位位位置会引起交换原子附近晶格强烈畸变，要求扩散激活能很大。置会引起交换原子附近晶格强烈畸变，要求扩散激活能很大。环环环环形形形形交交交交换换换换机机机机制制制制：4 4 4 4个个个个原原原原子子子子同同同同时时时时交交交交换换换换。所所所所涉涉涉涉及及及及的的的的能能能能量量量量远远远远小小小小于于于于直直直直接接接接交交交交换，但要受到集体

5、运动的约束。换，但要受到集体运动的约束。（2）扩散机制）扩散机制（a a）交换机制）交换机制）交换机制）交换机制10（b b）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。11（c c）空位扩散机制）空位扩散机制）空位扩散机制）空位扩散机制 在置换固溶体中，由于晶格中存在空位，空位周围的在置换固溶体中，由于晶格中存在空位，空位周围的原子原子（

6、包括溶剂和溶质原子包括溶剂和溶质原子）由热运动可能进入空位，即原由热运动可能进入空位，即原子利用空位最后达到迁移，当存在浓度梯度子利用空位最后达到迁移，当存在浓度梯度（化学位梯度化学位梯度）时，溶质原子就会发生定向的扩散迁移，这是置换原子扩时，溶质原子就会发生定向的扩散迁移，这是置换原子扩散的主要方式。散的主要方式。扩散进行有两个要求条件：一是有空位存在；二是空扩散进行有两个要求条件：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。能。12 溶质原子从一个位置到另一个位置的过程，在平衡溶质原子从一个位置到另一个位置的过程，在平衡位置

7、的能量最低，从晶格原子中间能量最高，二者的能位置的能量最低，从晶格原子中间能量最高，二者的能量差，称为原子的扩散激活能。量差，称为原子的扩散激活能。13（1 1）温度足够高；）温度足够高；（2 2）时间足够长；）时间足够长；（3 3）扩散原子能固溶；）扩散原子能固溶；（4 4）具有驱动力：化学）具有驱动力：化学位梯度。位梯度。（3）固态金属扩散的条件）固态金属扩散的条件14n 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。（如纯金属或固溶体的晶粒长大如纯金属或固溶体的晶粒长大-无浓度

8、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。（有浓度变化）散。（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：原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。下坡扩散：上坡扩散：原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散。（4）扩散的分类扩散的分类15 由碳钢和硅钢组成的扩散偶，在初始状态，他们各自由碳钢和硅钢组成的扩散偶，在初始状态，他们各自所含的碳没有浓度梯度，而且两者的碳浓度相同。在所含的碳没有浓度梯度，而且两者的碳浓度相同。在1050扩散后，形成了浓度梯度。这是由于在扩散后，形成了浓度梯度。这是由于在Fe-

9、C合金中合金中加入的加入的Si使碳的化学势升高，以致使碳向不含使碳的化学势升高，以致使碳向不含Si的钢中扩的钢中扩散，导致了上坡扩散。（又例：应力梯度）散，导致了上坡扩散。应力梯度）16n 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：扩散过程中不出现新相。原子扩散：反应扩散：由之导致形成一种新相的扩散。n n 按原子的扩散方向分按原子的扩散方向分按原子的扩散方向分按原子的扩散方向分 体扩散：在晶粒内部进行的扩散。体扩散：表面扩散：在表面进行的扩散。晶界扩散：沿晶界进行的扩散。表表面面扩扩散散和和晶晶界界扩扩散散的的扩扩散散速速度度比比体体扩扩散散要要快快得得多多

10、，一一般般称称前前两两种种情情况况为为短短短短路路路路扩扩扩扩散散散散。此此外外还还有有沿沿位位错错线线的的扩扩散散，沿沿层错面的扩散等。层错面的扩散等。17n n由扩散造成的浓度分布及由合金系统决定的不同相所由扩散造成的浓度分布及由合金系统决定的不同相所由扩散造成的浓度分布及由合金系统决定的不同相所由扩散造成的浓度分布及由合金系统决定的不同相所对应的固溶度势必在扩散过程中产生中间相。这种通对应的固溶度势必在扩散过程中产生中间相。这种通过扩散而形成新相的现象称为多相扩散，也称为相变过扩散而形成新相的现象称为多相扩散，也称为相变过扩散而形成新相的现象称为多相扩散，也称为相变过扩散而形成新相的现象

11、称为多相扩散，也称为相变扩散或反应扩散。扩散或反应扩散。n n反应扩散包括两个过反应扩散包括两个过反应扩散包括两个过反应扩散包括两个过程：一是扩散过程；程：一是界面上达到一定一是界面上达到一定一是界面上达到一定一是界面上达到一定浓度即发生相变的反浓度即发生相变的反浓度即发生相变的反浓度即发生相变的反应过程。应过程。1819随着扩散时间的延长，铁棒表层的含碳量将不断增加，随之随着扩散时间的延长，铁棒表层的含碳量将不断增加，随之发生反应扩散。发生反应扩散。C1是是880时铁素体的饱和浓度，时铁素体的饱和浓度，C2和和C3是是奥氏体的最低浓度和饱和浓度。若在渗碳过程中保持试样表奥氏体的最低浓度和饱和

12、浓度。若在渗碳过程中保持试样表面的碳浓度为面的碳浓度为C3，随着扩散过程的进行，碳原子不断渗入，随着扩散过程的进行，碳原子不断渗入，、两相的界面将向右移动，相界面两边的浓度分别保持两相的界面将向右移动，相界面两边的浓度分别保持C2和和C1不变。不变。实例实例实例实例1 1 880880纯铁渗碳纯铁渗碳纯铁渗碳纯铁渗碳20 在二元合金经反应扩散的渗层组织中不存在两相在二元合金经反应扩散的渗层组织中不存在两相混合区，而且在相界面上的浓度是突变的，它对应于混合区，而且在相界面上的浓度是突变的，它对应于该相在一定温度下的极限溶解度。不存在两相混合区该相在一定温度下的极限溶解度。不存在两相混合区的原因可用相的热力学平衡条件来解释：如果渗层组的原因可用相的热力学平衡条件来解释：如果渗层组织中出现两相共存区，则两平衡相的化学势织中出现两相共存区，则两平衡相的化学势 必然必然相等，即化学势梯度相等，即化学势梯度 ，这段区域内就没有，这段区域内就没有扩散驱动力，扩散不能进行。同理，三元系中渗层的扩散驱动力，扩散不能进行。同理，三元系中渗层的各部分都不能出现三相共存区，