固体材料中的原子扩散机制、扩散系数及影响因素解析.ppt

7.2 扩散的微观机制 多晶体金属中扩散路径 晶体点阵中的各种扩散途径 扩散机制 均匀固溶体中三种最基本的扩散机制 7.2.1 扩散的交换机制 扩散的交换机制 交换机制很难出现 7.2.2 扩散的间隙机制 原子在点阵的间隙位置间跳跃而导致的扩散 间隙扩散时间隙原子跃迁所需能量示意图 间隙扩散 根据Maxwell-Boltzman分布定律，在N个间隙原子中，在温度T时，自由能大于G2的数目n2为 间隙扩散 ΔG=G2-G1 =ΔH-T·ΔS=ΔE-T·ΔS，原子跃迁几率P=e(-ΔG/RT)，所以 7.2.3 空位机制扩散 空位总会存在，存在空位使熵增加 扩散需要能量－扩散激活能 Activation energy of diffusion 1.Qi＜Qv, lower Q indicates easy diffusion 2.diffusion couple 3.diffusion data for selected materials （See Table） 空位机制扩散 不同温度下存在不同的空位平衡浓度CV，借助空位扩散的合金，温度越高越有利于扩散 空位机制扩散 置换原子跃入空位引起的体系自由能变化为：ΔG =ΔE-T·ΔS 某些扩散系数D0和Q的近似值 自扩散 给定的物质原子在该物质点阵中的迁移称为自扩散 7.2.4 其它扩散机制 其它还有环形换位机制和挤列（Crowdion）机制 其它扩散机制 其它还有环形换位机制和挤列（Crowdion）机制 铜自扩散激活能计算值和实验值的比较 扩散机制总结 在间隙式固溶体中则为间隙式扩散机制 7.2.5 扩散系数 扩散系数的测定方法 示踪剂法测定自扩散系数 如将放射性的Au*涂覆在两根金棒之间，然后将它们加热到920℃保温100h 示踪剂法测定自扩散系数 示踪剂法测定自扩散系数 lnC－x2关系曲线斜率k为 自扩散系数测定 要测定氧化物等材料中的非金属原子的自扩散系数，可采用气氛法 自扩散系数测定 考虑温度和气氛压力对自扩散系数影响，加压时自扩散系数D*p与不加压时的自扩散系数D*关系为 其它扩散系数测定方法 可以通过试样由一个平衡状态到另一个平衡状态发生质量的变化或电导率变化的动力学数据来确定化学扩散系数D 7.2.6 影响扩散系数的因素 1.温度的影响 温度对扩散系数的影响 对式（14）[D＝D0exp(-Q/RT) ]取对数，得到方程 温度对扩散系数的影响 温度对扩散系数的影响 温度升高，扩散原子获得能量超越势垒几率增大且空位浓度增大，有利扩散 2 晶体缺陷对扩散的影响 沿面缺陷的扩散（界面、晶界）：原子规则排列受破坏，产生畸变，能量高，所需扩散激活能低 沿面缺陷的扩散 晶体缺陷对扩散的影响 实验发现，钍在钨丝中的晶界扩散系数DB和体扩散系数DL分别为 单晶银和多晶银的自扩散系数与温度的关系 多晶银（直线1）的斜率约为单晶银（直线2）的斜率的二分之一，表明晶界扩散激活能约为体扩散激活能的一半 扩散系数与温度、晶粒尺寸的关系 扩散系数与扩散方式、温度、晶粒尺寸关系 （1）表面扩散比晶界扩散快，比体扩散更快 2、 沿线缺陷的扩散 位错周围的点阵发生畸变，刃型位错线好象一根具有一定空隙度的管道，扩散元素沿位错管道迁移所需要的激活能较小（约为体扩散激活能的1/2），扩散速率较高 沿线缺陷的扩散 冷变形增加金属材料的界面和位错密度，会加速扩散过程 3.晶体结构的影响 a. α-Fe的自扩散系数 Dα=5.8exp(-59700/RT) （21） γ-Fe的自扩散系数 Dγ=0.58exp(-69700/RT) （22） Dα/Dγ=10exp(4100/T) ＞＞1 在T=1183K（910℃）时，Dα/Dγ=280，α-Fe的自扩散系数是γ-Fe的280倍 1）扩散系数随晶体结构的改变而变化 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变化的原因可能与原子排列的致密度有关 2）晶体的各向异性对扩散系数的影响 2.各向异性晶体的各方向原子间距不一样，扩散系数也不相同 菱方系铋的自扩散系数的各向异性 4.固溶体类型的影响 间隙原子扩散激活能比置换式原子的扩散激活能小得多；缺位式固溶体中缺位数多，扩散易进行 5.扩散元素性质的影响 扩散元素的性质与溶剂金属的性质差别越悬殊，则扩散系数越大 不同元素在银中的扩散系数 6.扩散组元的影响 在许多固溶体合金中，溶质的扩散系数随溶质浓度的增加而增加 扩散组元浓度对扩散的影响 扩散组元对扩散的影响 7. 第三元素（或杂质）的影响 第三元素对二