西北工业大学材料科学基础课件第五六七章

1第五章扩散2•物质传输的方式：•1、对流--由内部压力或密度差引起的•2、扩散--由原子性运动引起的•固体中物质传输的方式是扩散•固体中原子在热运动下的位置转移第一节固体中原子的迁移3第一节固体中原子的迁移ΔE*-----激活能固体中参与反应的原子超过原子平均能量的附加能量，J/molE----原子平均能量E*----在特定温度下的能量Er----反应物的能量Ep----产物的能量一、热激活固态反应的激活能4二、Arrhenius速率定律lnV=-C.ΔE*/RTV-----固态反应速率C-----常数ΔE*-----激活能R-----摩尔气体常数（8.314J/molk）T-----反应温度•研究温度对反应速率的影响•大多数的固态反应都服从Arrhenius速率定律•lnV和1/T为线性关系，可以从斜率-ΔE*/R中计算出激活能ΔE*第一节固体中原子的迁移5一、扩散机制1.空位机制通过原子与空位交换位置实现原子的迁移。•空位扩散机制的条件：扩散原子的近邻有空位，同时空位周围的原子必须有超过能垒的自由能。•金属的自扩散属于空位机制扩散；•置换固溶体中的扩散（Cu/Ni扩散偶）属于空位机制扩散；•金属的熔点高其激活能也越高；•原子移动方向和空位移动方向相反第二节固体中原子的扩散6空位机制扩散7Cu/Ni扩散偶（1）8Cu/Ni扩散偶（2）910一、扩散机制2.间隙机制间隙原子在间隙固溶体中从一个间隙位置跳到另一个间隙位置的原子的迁移过程。•间隙扩散机制的条件：溶原子必须具有挤开溶剂原子进入相邻的间隙位置周围的激活能。•钢的渗碳（ΔE*cα=140kj/mol,ΔE*cγ=270kj/mol）•钢的氮化•间隙机构引起晶格变形大，只有间隙原子与晶格位置上的原子尺寸相比较是很小时，才会发生。第二节固体中原子的扩散11间隙机制扩散12一、扩散机制3.其它扩散机制•晶界扩散•位错扩散第二节固体中原子的扩散13第二节固体中原子的扩散二、扩散方程1.稳态扩散-----Fick第一定律（1）模型：在垂直面相距（X2-X1)的两平行原子面之间的扩散，经过时间t后，在X2和X1处的溶质原子浓度分别为C1和C2,并不随时间变化。14第二节固体中原子的扩散二、扩散方程1.稳态扩散-----Fick第一定律（2）Fick第一定律J=-DdC/dx•浓度梯度（gradient）=dC/dx（斜率（slope））,量纲为ML-3•D：扩散系数（coefficient），量纲为L2T-1•表示通过某一界面的扩散流量与垂直这个界面方向浓度梯度成正比，其方向与浓度降落方向一致。•负号表示原子的扩散方向与浓度梯度方向相反（浓度由低到高为正，扩散方向由高到低为负）15第二节固体中原子的扩散xJtC//二、扩散方程2.非稳态扩散-----Fick第二定律•扩散浓度在扩散过程中随时间变化(dc/dt≠0)•对于扩散系数与时间无关的非稳态扩散，可用Fick第二定律：•如D为常数22//xCDtC16常例：单向无限（semi-infinite），气体偏压固定边界条件C=Csatx=o，C=C0atx=∞，初始條件C=C0att=o误差函数（errorfunction）：)2/(1)/(00DtxerfCCCCsxzdyyzerf02)exp(/2)(17一、温度对扩散的影响D=D0exp(-ΔE*/(RT))•ΔE*：激活能（activationenergy）inJ/mol,cal/moloreV/atom，移动原子所需能量。•Feinα-Fe：3.0x10-21m2/sat500℃，1.8x10-15m2/sat900℃。•温度越高，原子的能量越大，越容易发生迁移，扩散系数越大。第三节影响扩散的因素18二、固溶体类型对扩散的影响•间隙固溶体的扩散激活能一般都很小•在获得同样浓度时，渗碳、渗氮比渗金属的周期短第三节影响扩散的因素19三、晶体结构对扩散的影响1.扩散系数随同素异构转变变化较大α-Fe的自扩散系数是γ-Fe的240倍在527℃，氮在α-Fe的自扩散系数比γ-Fe大1500倍结构不同的固溶体对扩散元素的溶解度是不同的，由此造成的浓度梯度不同，也会影响扩散速度第三节影响扩散的因素•2.晶体结构异向性的影响•原子通过跃迁进行扩散，晶体中各晶向原子排到及其间距不同，因而不同晶向上的扩散有一定差别。•立方晶系，三个晶轴方向原子挑到情况相同，扩散系数相同•六方晶系，特别是菱方结构，异向性较大，扩散的各向异性明显20•3、晶体缺陷的影响：•空位和位错促进置换型原子的扩散，但对间隙型原子的扩散的作用尚无定沦，近来的一些研究认为，它们可能作为陷阱吸引间隙扩散原子，使它们的扩散激活能增大，减慢扩散速度。21问题C在α-Fe中的溶解度为0.02%，而在γ-Fe的最大溶解度为2.21%，相差100倍；而且C在α-Fe中的扩散系数比γ-Fe大很多，为什么在工业上还要选择在γ-Fe的固溶体中渗碳？渗碳层深度渗碳的温度影响2223四、浓度对扩散的影响•组元的扩散系数随浓度的变化而变化，但当固溶体浓度较低，或扩散浓度变化不大时，在求解扩散方程过程中，可以认为影响不大。第三节影响扩散的因素•某些金属发生同素异转变时→扩散系数也随之改变。24如1）和中自扩散系数分别为在9120C时，252）C原子在和中的扩散系数∴在9120C时，=3026注意：结构不同的固溶体对扩散元素的溶解度不同，由此造成的渗度梯度差别，也会影响扩散过程。如：C在α-Fe中的扩散系数大于γ-Fe，但渗C仍在高温α-Fe中进行，这是因为：1）C在γ-Fe中的溶解度比大于在α-Fe中的溶解度，可以借助C在γ-Fe中形成较大的浓度而有利于C的扩散（）和增加渗层深度。2）C在α-Fe中溶解度小，饱和后的表层碳浓度仍不能满足要求（渗C要求表层含C）0.8%）27五、合金元素对扩散的影响碳化物形成元素W、Mo、Cr等与碳的结合力较大，降低Dc-γMn等形成碳化物能力较弱，对Dc-γ几乎没有影响。Co、Ni等非碳化物形成元素，由于溶入基本点阵而产生点阵畸变相当于减少（原子的扩散激活能，提高Dc-γ)。第三节影响扩散的因素28第三节影响扩散的因素六、表面和界面对扩散的影响------短路扩散291）间隙固溶体：因溶质原子较小，易于扩散，因此，晶内扩散与晶界扩散的差别不大2）置换固溶体或纯金属：原子在晶界上的扩散比晶内扩散快得多，晶界扩散晶内扩散。原因：晶界处点阵畸变较大，原子处于较高的能量状态，易于跳动，故晶界扩散激活能Qgb比晶内扩散激活能Qv小得多。第四节扩散热力学分析•原子扩散的驱动力是化学位梯度，不是浓度梯度。•在一般情况下，化学位梯度与浓度梯度方向相同，故扩散向浓度降低方向进行。•在某些情况下，化学位梯度与浓度梯度方向相反时，则原子扩散向化学位减少的方向进行，原子从浓度低的地方扩散到浓度高的地方，即上坡扩散。30•如Fe-C合金与Fe-C-Si合金扩散偶的扩散，将Fe-0.4%C合金棒与Fe-0.4%-3.8%Si合金棒焊在一起，在1000℃长时间保温，进行扩散退火后，碳的浓度分布如下图所示31•原因：Si提高了碳的化学位，因而C从含Si棒向无Si棒扩散，从而降低C在含Si棒的化学位，消除了化学位梯度。32第五节反应扩散•一、反应扩散：•通过扩散自金属表面向内渗入某种元素时，若该扩散元素的含量超过基本金属的溶解时，则随着扩散的进行，在金属表面会形成另一新相层（多为中间相），这种伴随有新相出现的扩散过程称反应扩散，或相变扩散。3334•由反应扩散所形成的相可参考平衡相图进行分析。实验结果表明，在二元合金反应扩散的渗层组织中不存在两相混合区，只有孤立的单相区存在，而且在它们的相界面上的浓度是突变的，它对应于相图中每个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平衡的热力学来解释。3536一、钢的渗碳渗碳通常是指向低碳钢制造的工件表面渗入碳原子，使工件表面达到高碳钢的含碳量。其目的是使工件在热处理后表面具有高硬度和高的耐磨性，而心部仍保持低碳钢良好的塑、韧性。补充扩散的应用37钢的渗碳2依所用渗碳剂的不同，钢的渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。最常用的是气体渗碳，其工艺方法是将工件放入密封的加热炉中，加热到临界温度以上（通常为900~950℃）按一定流量滴入液体渗碳剂（如煤油、甲醇和丙酮），并使之分解,分解产物有CnH2n和CnH2n+2,在钢的表面发生如下的反应CnH2nnH2+n[C]CnH2n+2(n+1)H2+n[C]从而提供活性碳原子，吸附在工件表面并向钢的内部扩散而进行渗碳。38钢的渗碳3391.已知初始条件，求渗碳时间t；2.求一定渗碳层深度下的浓度；3.求渗碳层深度)2/()/(0DtxerfCCCCsxs钢的渗碳440答案(a)由Fick第二定律得：t1.0×104(s)41(b)由关系式x=，得：两式相比，得：当温度相同时，D1=D2,于是得：42（c）因为：t930=t870,D930=1.67×10-7(cm2/s)D870=0.2×exp(-140000/8.314×1143)=8.0×10-8(cm2/s)所以：（倍）43第四节扩散的应用此現象常發生在磷元素之擴散，當晶片表面之摻雜濃度高至接近溶解度時，元素擴散分佈曲線會顯示異常的行為。一系列的模擬圖顯示，在1000oC時進行擴散一個小時後，不同表面濃度的磷元素擴散後的分佈曲線圖。磷元素擴散，其擴散係數大約增加了兩個數量級。二、半导体扩散参杂44第六章材料的塑性变形纳米铜的室温超塑性45第一节金属变形概述弹性变形－塑性变形－断裂46第一节金属变形概述弹性变形：变形可逆；应力应变呈线性关系。弹性模量：原子间结合力的反映和度量。47第二节单晶体的塑性变形常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生、扭折。一滑移1滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。光镜下：滑移带（无重现性）。2滑移的表象学电境下：滑移线。48第二节单晶体的塑性变形一滑移光镜下：滑移带（无重现性）。2滑移的表象学电境下：滑移线。49第二节单晶体的塑性变形3滑移的晶体学滑移面（密排面）（1）几何要素滑移方向（密排方向）50第二节单晶体的塑性变形3滑移的晶体学（2）滑移系滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系的个数:(滑移面个数）×（每个面上所具有的滑移方向的个数）51第二节单晶体的塑性变形3滑移的晶体学（2）滑移系滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系的个数:(滑移面个数）×（每个面上所具有的滑移方向的个数）晶体结构滑移面滑移方向滑移系数目常见金属面心立方{111}×4110×312Cu,Al,Ni,Au{110}×6×212Fe,W,Mo体心立方{121}×12111×112Fe,W{123}×24×124Fe{0001}×1×33Mg,Zn,Ti{1010}11203Mg,Zr,Ti{1011}6Mg,Ti密排六方52第二节单晶体的塑性变形3滑移的晶体学（2）滑移系一般滑移系越多，塑性越好；滑移系数目与材料塑性的关系：与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；与同时开动滑移系数目有关（c）。晶体结构滑移面滑移方向滑移系数目常见金属面心立方{111}×4110×312Cu,Al,Ni,Au{110}×6×212Fe,W,Mo体心立方{121}×12111×112Fe,W{123}×24×124Fe{0001}×1×33Mg,Zn,Ti{1010}11203Mg,Zr,Ti{1011}6Mg,Ti密排六方53第二节单晶体的塑性变形3滑移的晶体学（3）滑移的临界分切应力（c）c：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。外力在滑移方向上的分解。c＝scoscos54第二节单晶体的塑性变形3滑移的晶体学（3）滑移的临界分切应力（c）c取决于金