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第五章 金属扩散及固态转变课件.ppt

发布:2016-03-22约1.42万字共133页下载文档
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第五章金属扩散及固态相变 扩散:物质中原子(或分子)的迁移现象,它是物质传输的一种方式. 原子的微观运动会引起物质的宏观流动,气体和液体的扩散易察觉. 固态金属中同样存在扩散现象,且扩散是固体中物质传递的唯一方式. 扩散是金属中的一个重要现象,是金属学的一个重要领域,它与金属的加工、使用性能间存在密切关系. 固态扩散的实验(柯肯达尔效应) 把Cu、Ni棒对焊,在焊接面上镶嵌上钨丝作为界面标志。加热到高温并保温,界面标志钨丝向纯Ni一侧移动了一段距离. 柯肯达尔效应:置换互溶组元Cu、Ni所构成的扩散偶中,由于两种原子以不同速度相对扩散,扩散通量不相等造成标记面漂移的现象. 扩散第一定律的说明: 描述溶质原子的宏观移动与其浓度梯度的关系 将金属看作连续介质,建立微分方程求解,不涉及金属内部的原子过程. 适用范围: 稳态扩散,即在一定区域内,浓度和浓度梯度不随时间变化,不考虑时间因素对扩散的影响. 但实际上稳态扩散的情况很少,大部分属于非稳定态扩散,需要应用菲克扩散第二定律。 对于不同晶体结构的金属材料,原子的跳动方式不同,故扩散机理随晶体结构的不同而变化。 原因:扩散不仅由原子的热运动所控制,还受具体的晶体结构制约。 扩散模型(按照单原子的跳动方式分) 间隙扩散机理 空位扩散机理 ⑴间隙扩散机理 定义:扩散原子在点阵间隙位置间跃迁导致的扩散。 间隙固溶体中,溶质原子从其所占间隙位置跳到邻近另一个空着的间隙位置 置换固溶体中,溶质或溶剂原子从原来所占据的平衡位置跳到间隙位置,再跳到邻近其他间隙位置. ⑵空位扩散机理 定义:通过扩散原子与空位交换位置来实现物质的宏观迁移。 温度越高,空位越多,金属中原子的扩散越容易。 3、固态金属扩散的条件 ⑴温度要足够高 固态扩散依靠原子热激活而进行。温度越高,原子热振动越激烈,被激活而迁移的几率越大。 只要热力学温度不是零,总有部分原子被激活而迁移。温度低时,原子被激活的几率很低,表现不出物质输送的宏观效果,好象扩散过程被“冻结”,不同物质扩散 “冻结”的温度不同。 如,碳原子在室温下的扩散极其微弱,100℃以上时较显著,而铁原子须在500℃以上才能扩散。 ⑵时间要足够长 原子在晶体中跃迁一次最多移动0.3-0.5nm的距离,扩散1mm的距离须跃迁亿万次。且原子跃迁的过程是随机的,所以,只有经过很长时间才能造成物质的宏观定向迁移。 应用:快速冷却到低温,原子来不及被激活,使扩散过程“冻结”,就可以保持高温下的状态。 ⑶扩散原子要固溶 扩散原子在基体金属中必须有一定固溶度,溶入基体晶格形成固溶体,才能进行固态扩散。 例1:在水中滴墨水,可很快扩散均匀.但在水中滴油,放置多久也不扩散均匀。 例2:铅不能固溶于铁,故钢可以在铅浴中加热,获得光亮清洁表面,不用担心铅粘附钢材表面。 ⑴温度 温度是影响扩散系数的最主要因素。 由 (D0为扩散常数,Q为扩散激活能,R是理想气体常数)可看出,D与T呈指数关系变化,随温度升高,扩散系数急剧增大。 原因: 温度越高,原子振动能越大,借助能量起伏而越过势垒迁移的原子几率越大。 温度升高,金属内部空位浓度提高,有利于扩散。 任何元素的扩散,只要测出D0和Q值,便可计算出任一温度下的D值。 ⑵固溶体类型 固溶体类型不同,溶质原子的扩散激活能不同。间隙原子的扩散激活能比置换原子小,所以扩散速度比较大。 例:铸锭均匀化退火,C、N间隙原子易均匀化,置换型溶质原子须加热到更高温度才能均匀化。 ⑶晶体结构 不同晶体结构具有不同扩散系数(同素异构性金属) ⑷浓度 浓度梯度越大扩散越容易进行。 ⑸合金元素 当加入的合金元素使合金熔点或使液相线温度降低时,扩散系数增加;反之,扩散系数降低。 原因:溶剂或溶质原子的扩散激活能与点阵中的原子间结合力有关。金属或合金的熔点越高,则原子间的结合力越强,而扩散激活能正比于原子间结合力. 所以当固溶体浓度增加导致合金的熔点下降时,合金的互扩散系数增加;相反,互扩散系数减小。 在生产过程中对金属材料进行的热处理就是利用材料的固态相变规律,通过适当的加热、保温盒冷却,改变材料的组织结构,从而达到改善性能的目的。 ①相界面 a)共格界面 新、旧相的晶体结构、点阵常数相同;或有差异但存在一组特定晶体学平面可使两相原子之间产生完全匹配。 b)半共格界面 新、旧相之间存在少量位错,除此之外的晶体结构和点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。 c)非共格界面 新、旧相界面处原子排列差别很大,两原子之间匹配关系不再维持,为非共格界面。 马氏体(M)
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