扩散

对于间隙原子来说，由于其尺寸较小，处于晶格间隙中，在扩散时，间隙原子从一个间隙位置跳到相邻的另一个间隙位置，形成原子的移动。

扩散

• 扩散定律
  • 定义
    • 由构成物质微粒的热运动而产生的物质迁移的现象称为扩散
  • 菲克第一定律
    • 适用条件：质量浓度不随时间变化
    • 扩散系数并非常数而与很多因素用关
  • 菲克第二定律
  • 第二定律的解（误差函数解）
    • 通解形式
  • 扩散的驱动力
    • 化学势梯度
      • 热力学因子
    • 上坡扩散
      • 溶质原子从低浓度向高浓度处扩散的过程
      • 引起上坡扩散的其他因素
        • 弹性应力的作用
        • 晶界的内吸附
        • 场（温度场、电场）的不均一性
    • 下坡扩散
      • 物质从高浓度向低浓度扩散的过程，扩散的结果使浓度梯度减少，使成分趋于均匀。
  • 成分偏析均匀化（正弦解）
    • 适用条件：铸造合金中显微偏析的均匀化退火问题
• 扩散的类型
  • 间隙扩散
    • 对于间隙原子来说，由于其尺寸较小，处于晶格间隙中，在扩散时，间隙原子从一个间隙位置跳到相邻的另一个间隙位置，形成原子的移动。
  • 置换扩散
    • 柯肯达尔效应
      • 在置换固溶体扩散偶界面埋入一个惰性标记，由于溶质、组元扩散能力不同，而导致标记移动的现象
      • 最重要意义是支持空位扩散机制
      • 柯肯达尔方程
• 扩散的机制
  • 交换机制
  • 间隙机制
    • 原子从一个晶格中间隙位置迁移到另一个间隙位置
  • 空位机制
  • 晶界扩散和表面扩散
• 扩散系数
  • 说明：不同的扩散机制具有相同的表达式，不同的是D0和Q值不同
  • 扩散激活能越高扩散系数对温度越敏感
  • 原子跳跃与扩散系数的关系
    • • d：晶面之间的距离；P：原子廖悦的几率；┏：原子跳跃频率
• 反应扩散
  • 元素渗入量超过固溶度极限，形成新相的扩散
  • 特点
    • 金属表面层分为新相层和有渗入的无新相层，两层之间有明显的界面
    • 二元合金发生反应扩散时，扩散过程中渗层不可能出现两相混合区
    • 反应初期，渗层较薄，反应扩散速度主要取决于化学反应速度 反应后期，渗层较厚，反应扩散速度主要取决于扩散速度
  • 熟练绘画157页组织分布图
• 影响扩散的因素
  • 温度
  • 固溶体类型
    • 间隙固溶体的扩散激活能一般小于置换固溶体
  • 晶体结构
    • 钢渗碳通常选取高温下奥氏体状态进行：γ-Fe溶解度远大于α-Fe；形成较大的浓度梯度，有利于加速碳原子的扩散。③温度越高，碳原子自扩散加剧，加速扩散过程。
    • 渗碳高于1100℃：
      • 导致晶粒粗大，使力学性能下降
      • 工件容易变形，甚至发生蠕变
      • 对渗碳设备要求高，密封性要好，否则工件容易氧化脱碳
  • 晶体缺陷
    • 促进
      • 缺陷处点阵畸变能较大，原子处于较高的能量状态，易于跳跃，因此在缺陷处的原子扩散激活能比晶内小，加快了原子的扩散
  • 化学成分
    • 熔点高的金属扩散激活能大
  • 应力
• 主题