华南师范大学材料科学与工程教程第七章 扩散与固态相变(二).ppt

2017-3-26 1 第七章扩散与固态相变(二) 2017-3-26 2 二、扩散机制 1、间隙扩散和空位扩散对金属晶体而言,通常情况下只有这两种! 离子晶体? 2017-3-26 3 1)间隙扩散机制扩散机制:溶质原子存在于晶格的间隙中, 主要指 C、N、H、O 等元素在金属晶体内的扩散,扩散过程是间隙原子从所处的间隙,挤过晶格原子的空隙,到达相邻的另一个间隙。溶质原子从一个间隙到另一个间隙的过程,在间隙中的平衡位置的能量为 G 1,从晶格原子中挤过去,最高能量达到 G 2, 存在能垒ΔG=G 2-G 1,根据统计物理分析可知,超出平均能量ΔG的原子几率为 P 2017-3-26 4 扩散程度的描述?扩散系数 D=? 2fГ对于立方结构晶体 f=1/6, 上式可写为 D= ? 2Г/6 f 为跃迁方向几率; Г为间隙原子每秒跳跃次数; ?是常数,对于简单立方结构?=a; 对于面心立方结构?=√2a/2; 对体心立方结构?=√3a/2 。Г=vZP , v为自身振动的频率; Z为间隙原子紧邻的位置数; P为间隙原子能够跃迁到新位置的几率 2017-3-26 5 扩散程度的描述?扩散激活能扩散激活能 Q: 原子跃迁时所需克服周围原子对其束缚的势垒。? 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. 2017-3-26 6 D 0为与晶格结构和扩散方向有关的常数, ΔG为一个原子的扩散激活能,工程中也常用 Q表示 1mol 的激活能。扩散系数与温度之间的关系?扩散系数与温度之间的关系作 lnD-1/T 即可得扩散系数与温度的关系! ffP D= ? 2Г/6Г=vZP 2017-3-26 7 2)空位扩散扩散机制:在置换固溶体中,由于晶格中存在空位,空位周围的原子(包括溶剂和溶质原子)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(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。 2017-3-26 8 ?自扩散: 原子在纯材料中的扩散( 晶体内完全是同类原子) 平衡空位浓度为 n v,则扩散原子近邻出现空位的几率: 扩散系数为: 扩散系数与温度之间的关系统称为置换扩散的激活能,包括空位形成能和空位迁移能! 与间隙扩散表达式相同 2017-3-26 9 2、互扩散和柯肯达尔效应如果将一块钢和一块纯铁焊接在一起, 由于两种材料的碳含量不相同,碳原子将从钢中向纯铁中不断扩散,碳是溶解在铁晶格的间隙中形成的间隙固溶体,这种迁移不会引起原来钢或纯铁基体中晶格数量和位置的变化,这属于一种间隙扩散类型。如果将一块铜和一块锌焊接在一起,这两种材料的成分不同, 铜要向锌中扩散,铜进入锌的晶格存在于晶格结点,形成的是置换固溶体,锌也要向铜中扩散,也存在于铜晶格结点,形成的是置换固溶体。这种扩散方式称为互扩散。 2017-3-26 10 这种扩散与间隙扩散不相同的是: 一方面一种原子进入另一种原子的晶格要另一种原子扩散运动离开才能达到节点位置; 另一方面,在晶体中两种原子的大小、性质不相同,扩散迁移的速度也不一样,一种原子离开的个数与另一种原子进入的个数不相等时就会形成新的晶格(或部分晶格消失),因此互扩散过程中会引起某种材料晶格数量的变化。