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1、第四章固体中原子及分子的运动1本讲稿第一页，共四十八页物质的传输方式物质的传输方式气体：气体：扩散扩散+对流对流固体：固体：扩散扩散液体：液体：扩散扩散+对流对流金属金属陶瓷陶瓷高分子高分子金属键金属键离离子子键键共价键共价键扩散机制不同扩散机制不同基本概念基本概念2本讲稿第二页，共四十八页3本讲稿第三页，共四十八页固固体体中中的的扩扩散散是是唯唯一一的的物物质质迁迁移移方方式式，研研究究扩扩散散一一般般有有两种方法：两种方法：表表象象理理论论：根根据据所所测测量量参参数数描描述述物物质质传传输输的的速速率率和和数量等；数量等；原子理论：扩散过程中原子是如何迁移的。原子理论：扩散过程中原子是如
2、何迁移的。1）扩散的基础知识）扩散的基础知识2）扩散的表象理论）扩散的表象理论3）扩散的原子理论）扩散的原子理论4）影响扩散的因素）影响扩散的因素本章主要内容本章主要内容4本讲稿第四页，共四十八页完全混合完全混合部分混合部分混合时间加入染料加入染料水扩散扩散(diffusion)(diffusion):由于热或其他原因导致的原子运动，物由于热或其他原因导致的原子运动，物 质从系统的这一部分迁移至另一部分的现象质从系统的这一部分迁移至另一部分的现象第一节第一节扩散的概念及分类扩散的概念及分类5本讲稿第五页，共四十八页高碳含量区域低碳含量区域碳的扩散方向Fe-C合金6本讲稿第六页，共四十八页烧结、
3、烧结、渗碳和渗氮工艺渗碳和渗氮工艺 固态相变固态相变塑性变形和再结晶塑性变形和再结晶固体扩固体扩散散影响影响扩散进行分类扩散进行分类（1）按浓度均匀程度分：）按浓度均匀程度分：有浓度差的空间扩散叫有浓度差的空间扩散叫互扩散互扩散；没有浓度差的扩散叫没有浓度差的扩散叫自扩散自扩散（2）按扩散方向分：按扩散方向分：由高浓度区向低浓度区的扩散叫由高浓度区向低浓度区的扩散叫顺扩散顺扩散，又称，又称下坡扩散下坡扩散;由低浓度区向高浓度区的扩散叫由低浓度区向高浓度区的扩散叫逆扩散逆扩散，又称，又称上坡扩散上坡扩散。7本讲稿第七页，共四十八页（3）按原子的扩散方向分：按原子的扩散方向分：l在在晶晶粒粒内内部
4、部进进行行的的扩扩散散称称为为体体扩扩散散 /晶格扩散晶格扩散（通过晶体点阵进行（通过晶体点阵进行）；）；l在表面进行的扩散称为在表面进行的扩散称为表面扩散表面扩散；l沿晶界进行的扩散称为沿晶界进行的扩散称为晶界扩散晶界扩散。l表表面面扩扩散散和和晶晶界界扩扩散散的的扩扩散散速速度度比比体体扩扩散散要要快快得得多多，一一般般称称前前两两种种情情况况为为短路扩散短路扩散。8本讲稿第八页，共四十八页2扩散的条件扩散的条件1)扩扩散散驱驱动动力力：使使物物质质发发生生迁迁移移(定定向向)，一一定定存在着某种力或场，如浓度梯度。存在着某种力或场，如浓度梯度。2)温温度度：原原子子迁迁移移所所必必需需的
5、的基基本本条条件件，温温度度越越高高，扩扩散越容易。散越容易。3)时时间间：扩扩散散是是一一个个物物质质迁迁移移的的过过程程，而而过过程的概念就体现在时间上。程的概念就体现在时间上。4)扩散原子要固溶扩散原子要固溶9本讲稿第九页，共四十八页第二节第二节扩散的表象理论扩散的表象理论一、一、菲克第一定律菲克第一定律阿阿道道夫夫菲菲克克（AdolfFick）对对此此进进行行了了研研究究，并并在在1855年年就得出：扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比，即就得出：扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比，即：J=-DdCdxlJ为为扩扩散散通通量量，表表示示单单位位时时间间内内通通过过垂垂直直于于扩扩散散
6、方方向向x的的单单位位面面积积的的扩扩散散物物质质质质量量，其单位为其单位为kg/(m2s)；lD为扩散系数，其单位为为扩散系数，其单位为m2/s，大小决定了扩散速率。，大小决定了扩散速率。l而而是扩散物质的质量浓度，其单位为是扩散物质的质量浓度，其单位为kg/m3。l式式中中的的负负号号表表示示物物质质的的扩扩散散方方向向与与质质量量浓浓度度梯梯度度d/dx方方向向相相反反，即即表表示示物物质质从从高高的的质量浓度区向低的质量浓度区方向迁移质量浓度区向低的质量浓度区方向迁移。10本讲稿第十页，共四十八页(1).扩散通量扩散通量 扩散通量扩散通量单位时间内通过单位横截面的粒子数。单位时间内通过
7、单位横截面的粒子数。用用J J表表示，为矢量（因为扩散流具有方向性）示，为矢量（因为扩散流具有方向性）量纲：粒子数量纲：粒子数/（时间（时间.长度长度2 2）单位：粒子数单位：粒子数/（s.ms.m2 2）1.基本概念基本概念C1C2J(C1C2)dx11本讲稿第十一页，共四十八页（2）.稳定扩散和不稳定扩散稳定扩散和不稳定扩散1）稳定扩散）稳定扩散稳定扩散是指在垂直扩散方向的任一平面上，单位时间内稳定扩散是指在垂直扩散方向的任一平面上，单位时间内通过该平面单位面积的粒子数一定，即任一点的浓度不随时间而通过该平面单位面积的粒子数一定，即任一点的浓度不随时间而变化，变化，J=const。2）不稳
8、定扩散）不稳定扩散不稳定扩散是指扩散物质在扩散介质中浓度随时间发生变化。不稳定扩散是指扩散物质在扩散介质中浓度随时间发生变化。扩散通量与位置有关。扩散通量与位置有关。当当固固态态中中存存在在成成分分差差异异时时，原原子子将将从从浓浓度度高高处处向向浓浓度度低低处处扩扩散散，扩扩散散中中原原子子的的通量与质量浓度梯度成正比。通量与质量浓度梯度成正比。仅适应于稳态扩散，实际上稳态扩散的情况很少仅适应于稳态扩散，实际上稳态扩散的情况很少12本讲稿第十二页，共四十八页平视方向俯视方向应用：测定碳在应用：测定碳在-Fe中的扩散系数中的扩散系数2r2l2r12r12r2lr1000CC心部通渗碳气氛，心部
9、通渗碳气氛，外部为脱碳气氛，外部为脱碳气氛，在一定温度下经在一定温度下经过一定时间后，过一定时间后，碳原子从内壁渗碳原子从内壁渗入，外壁渗出。入，外壁渗出。13本讲稿第十三页，共四十八页稳态时稳态时:单位时间内通过半径为单位时间内通过半径为r(r2rCC1 1 2 2）两合金棒对焊，扩）两合金棒对焊，扩散方向为散方向为x x方向方向 3 3）合金棒无限长，棒）合金棒无限长，棒的两端浓度不受扩散影响的两端浓度不受扩散影响 4 4）扩散系数）扩散系数D D是与浓度无关的常数是与浓度无关的常数根据上述条件可写出初始条件及边界条件根据上述条件可写出初始条件及边界条件初始条件：初始条件：t=0t=0时时
10、,x0,x0则则C=CC=C1 1，x0,C=Cx0,C=C2 2边界条件：边界条件：t0t0时时,x=,C=C,x=,C=C1 1,x=,x=,C=C,C=C2 2 三、三、扩散方程的解及应用扩散方程的解及应用18本讲稿第十八页，共四十八页c其中其中方程的解为：为高斯误差函数，可用表查出为高斯误差函数，可用表查出19本讲稿第十九页，共四十八页高斯误差函数高斯误差函数20本讲稿第二十页，共四十八页根据不同条件，无限大物体中扩散有不同情况根据不同条件，无限大物体中扩散有不同情况（1 1）B B金属棒初始浓度金属棒初始浓度C C1 1=0=0，则则C=C=（C C2 2/2/2）1-erf1-er
11、f（)（2 2）求扩散偶焊接面处溶质浓度）求扩散偶焊接面处溶质浓度c c0 0。根据根据x=0 x=0时，时，=0=0，erferf（）=0=0，则则C C0 0=（C C1 1+C+C2 2）/2/2，若若B B棒初始浓度棒初始浓度 C C1 1=0=0，则，则 C C0 0=C=C2 2/2/2，保持不变，保持不变 。21本讲稿第二十一页，共四十八页2.2.半半无无限限大大物物体体中中的的扩扩散散，x x 近似近似这这种种情情况况相相当当于于无无限限大大情情况况下下半半边边的的扩扩散散情情况况，按按图图右右边边求解求解初始条件初始条件:t=0:t=0时，时，x0 x0，C=CC=C1 1边
12、边界界条条件件:t:t0 0时时，x=0 x=0，C=CC=C0 0，x=x=，C=CC=C1 1可解得方程的解可解得方程的解 C=CC=C0 0-(C-(C0 0-C-C1 1)erf)erf（）22本讲稿第二十二页，共四十八页例例1：含含0.20%碳碳的的碳碳钢钢在在927进进行行气气体体渗渗碳碳。假假定定表表面面C含含量量增增加加到到0.9%，试试求求距距表表面面0.5mm处处的的C含含量量达达0.4%所所 需需 的的 时时 间间。已已 知知 D927=1.2810-11m2/s解：已知解：已知c1=0.2%，c0=0.9%，c=0.4%,D，代入式，代入式C=C0-(C0-C1)erf
13、（）得得erf（）=0.7143查表得查表得erf（0.8）=0.7421，erf（0.75）=0.7112，用内差法，用内差法可得可得=0.755,因此，因此，t=8567s=2.38h应用：应用：钢件渗碳可作为半无限长物体扩散问题处理。钢件渗碳可作为半无限长物体扩散问题处理。23本讲稿第二十三页，共四十八页例例2：渗碳用钢及渗碳温度同上，求渗碳：渗碳用钢及渗碳温度同上，求渗碳5h后距表面后距表面0.5mm处的处的c含量。含量。解：已知解：已知c1，x，c0，D，t代入式得代入式得（0.9%-cx）/0.7%=erf（0.521）=0.538cx=0.52%与例与例1比较可以看出，渗碳时间由
14、比较可以看出，渗碳时间由2.38h增加到增加到5h，含，含0.2%c的碳钢表面的碳钢表面0.5mm处的处的c含量仅由含量仅由0.4%增加到增加到0.52%。24本讲稿第二十四页，共四十八页1.1.扩散驱动力扩散驱动力浓度梯度有关的扩散：浓度梯度有关的扩散：顺扩散（高浓度顺扩散（高浓度低浓度）；低浓度）；逆扩散（低浓度逆扩散（低浓度高浓度）。高浓度）。热力学：热力学：决定组元扩散流向的是化学位决定组元扩散流向的是化学位浓浓度度梯梯度度与与化化学学位位梯梯度度一一致致，顺顺扩扩散散，成成分分趋趋于于均均匀匀，如如铸铸锭锭均均匀化匀化浓浓度度梯梯度度与与化化学学位位梯梯度度不不一一致致，逆逆扩扩散散
15、，成成分分区区域域性性不不均均匀匀，如共析分解如共析分解第三节第三节扩散的热力学分析扩散的热力学分析25本讲稿第二十五页，共四十八页对于多元体系，设对于多元体系，设n n为组元为组元i i的原子数，则在等温等压条件下，组元的原子数，则在等温等压条件下，组元i i原子的自由能可用化学位表示：原子的自由能可用化学位表示：扩散的驱动力为化学位梯度扩散的驱动力为化学位梯度，即，即负号表示扩散驱动力指向化学位降低的方向。负号表示扩散驱动力指向化学位降低的方向。扩散总是朝化学位减小的方向进行扩散总是朝化学位减小的方向进行26本讲稿第二十六页，共四十八页2 扩散系数所以，组元i的扩散系：对于理想固溶体或稀固
16、溶体，i=1：组元 i 的平均运动速率：Bi为组元为组元i的原子迁移率的原子迁移率组元i 的扩散通量根据溶液热力学，组元i的化学位：27本讲稿第二十七页，共四十八页3 扩散方向 扩散系数的热力学因子 时，Di0，扩散沿着与浓度梯度相反的方向进行，组元从高浓度向低浓度区域扩散，称作下坡扩散。28本讲稿第二十八页，共四十八页引起上坡扩散的因素：引起上坡扩散的因素：l弹性应力的作用弹性应力的作用大大直直径径原原子子跑跑向向点点阵阵的的受受拉拉部部分分，小小直直径径原子跑向点阵的受压部分。原子跑向点阵的受压部分。l晶界的内吸附：晶界的内吸附：某些原子易富集在晶界上。某些原子易富集在晶界上。l电场作用：
17、电场作用：大电场作用可使原子按一定大电场作用可使原子按一定方向扩散。方向扩散。29本讲稿第二十九页，共四十八页宏观的扩散现象是微观原子的迁移结果。因此，为了探讨扩散机制，宏观的扩散现象是微观原子的迁移结果。因此，为了探讨扩散机制，必须研究晶体中微观的原子迁移机制。目前已有多种机制来描述体扩散必须研究晶体中微观的原子迁移机制。目前已有多种机制来描述体扩散中单个原子的迁移方式。中单个原子的迁移方式。一、一、扩散机制扩散机制（1）交换机制）交换机制相邻原子的直接交换机制相邻原子的直接交换机制，l即两个相邻原子互换了位置；即两个相邻原子互换了位置；l4个原子同时交换，其所涉及到个原子同时交换，其所涉及
18、到的能量远小于直接交换。的能量远小于直接交换。第四节第四节扩散的原子理论扩散的原子理论动画30本讲稿第三十页，共四十八页（2）间隙机制）间隙机制在在间间隙隙扩扩散散机机制制中中，原原子子从从一一个个晶晶格格中中间间隙隙位位置置迁迁移移到到另一个间隙位置。另一个间隙位置。（3）空位机制）空位机制晶晶体体中中存存在在着着空空位位。这这些些空空位位的的存存在在使使原原子子迁迁移移更更容容易易，故故大大多多数数情情况况下下，原原子子扩扩散是借助空位机制。散是借助空位机制。（4）晶晶界界扩扩散散及及表表面面扩扩散散31本讲稿第三十一页，共四十八页（4）晶晶界界扩扩散散及及表表面面扩散扩散对对于于多多晶晶
19、材材料料，扩扩散散物物质质可可沿沿三三种种不同路径进行，即不同路径进行，即晶晶体体内内扩扩散散（或或称称体扩散），体扩散），DL晶界扩散晶界扩散DB样样品品自自由由表表面面扩扩散散，DS32本讲稿第三十二页，共四十八页二、原子跳跃和扩散系数二、原子跳跃和扩散系数1.原子跳跃原子跳跃l以以间间隙隙固固溶溶体体为为例例，溶溶质质原原子子的的扩扩散散一一般般是是从从一一个个间间隙隙位位置置跳跳跃跃到到其其近近邻邻的另一个间隙位置。的另一个间隙位置。l在在跳跳跃跃时时，必必须须把把原原子子3与与原原子子4或或这这个个晶晶面面上上下下两两侧侧的的相相邻邻原原子子推推开开，从从而而使使晶晶格格发发生生局局
20、部部的的瞬瞬时时畸畸变变，这这部部分分畸畸变变就就构构成成间间隙隙原原子子跳跳跃跃的的阻阻力力，这这就就是是间间隙隙原原子子跳跳跃跃时时所所必必须克服的能垒须克服的能垒l间间隙隙原原子子从从位位置置1跳跳到到位位置置2的的能能垒垒 GG2-G1，因因此此只只有有那那些些自自由由能能超过超过G2的原子才能发生跳跃。的原子才能发生跳跃。33本讲稿第三十三页，共四十八页34本讲稿第三十四页，共四十八页2.扩散系数扩散系数对对于于间间隙隙型型扩扩散散，设设原原子子的的振振动动频频率率为为v，溶溶质质原原子子最最邻邻近近的的间间隙隙位位置置数数为为z（即即间间隙隙配配位位数数），则则跳跳跃跃频频率率 应
21、应是是v，z，以以及及具有跳跃条件的原子分数具有跳跃条件的原子分数e G/kT的乘积，即的乘积，即式中式中D0称为扩散常数；称为扩散常数；U是间隙扩散时溶质原子跳跃所需额外的热力学内能，该迁移能等于间隙是间隙扩散时溶质原子跳跃所需额外的热力学内能，该迁移能等于间隙原子的扩散激活能原子的扩散激活能Q。上述式的扩散系数都遵循阿累尼乌斯（上述式的扩散系数都遵循阿累尼乌斯（Arrhenius）方程：）方程：式式中中，R为为气气体体常常数数，其其值值为为8.314J/(molK)；Q代代表表每每摩摩尔尔原原子子的的激激活活能能，T为为绝绝对对温温度度。由由此表明，不同扩散机制的扩散系数表达形式相同，但此
22、表明，不同扩散机制的扩散系数表达形式相同，但D0和和Q值不同。值不同。35本讲稿第三十五页，共四十八页l D DPd2Pd2（扩散系数的微观模型）（扩散系数的微观模型）vzexp(vzexp(G G/kT)/kT)式中：式中：P P扩散几率扩散几率 d d晶面间距晶面间距 跳跃频率跳跃频率 v v振动频率振动频率 z z间隙位置数间隙位置数l D DD D0 0exp(exp(Q/kT)Q/kT)（扩散系数的宏观模型）（扩散系数的宏观模型）D D0 0扩散常数扩散常数 Q Q扩散激活能扩散激活能 R R气体常数气体常数 T T绝对温度绝对温度微观量微观量宏观量宏观量36本讲稿第三十六页，共四十
23、八页三、扩散激活能三、扩散激活能 当晶体中的原子以不同方式扩散，所需的扩散激活能当晶体中的原子以不同方式扩散，所需的扩散激活能Q值是不同的。值是不同的。在在间间隙隙扩扩散散机机制制中中，Q=U，U是是间间隙隙扩扩散散时时溶溶质质原原子子跳跳跃跃所所需需额额外外的的热热力学内能，力学内能，在在空空位位扩扩散散机机制制中中，Q=U+UV，表表明明置置换换扩扩散散或或自自扩扩散散除除了了需需要要原原子子迁迁移能移能U外还比间隙扩散增加了一项空位形成能外还比间隙扩散增加了一项空位形成能UV。实验表明：实验表明：Q置置Q间间除除此此外外，还还有有晶晶界界扩扩散散、表表面面扩扩散散、位位错错扩扩散散，它它
24、们们的的扩扩散散激激活活能能是是各各不不相相同同的的，因因此此，求求出出某某种种条条件件的的扩扩散散激激活活能能，对对于于了了解解扩扩散散的的机机制制是是非常重要的。非常重要的。由由实实验验值值确确定定lnD与与1/T的的关关系系，直直线线斜斜率率为为Q/R值值，纵纵轴轴截距为截距为lnD0值。值。37本讲稿第三十七页，共四十八页各种扩散机制的扩散激活能各种扩散机制的扩散激活能 38本讲稿第三十八页，共四十八页第五节第五节影响扩散的因素影响扩散的因素1.1.温温度度：温温度度越越高高，原原子子热热激激活活能能量量越越大大，越越易易发发生生迁迁移，扩散系数越大。移，扩散系数越大。2.2.固固溶溶
25、体体类类型型：不不同同类类型型的的固固溶溶体体，原原子子的的扩扩散散机机制制不不同同，间间隙隙扩扩散散激激活活能能比比置置换换扩扩散散激激活活能能小小得得多多，即即间间隙隙扩扩散散比比置置换换扩扩散散快快，因因而而扩扩散散激激活活能能较较小小。如如H H，C C，N N等小原子在等小原子在-Fe-Fe中的扩散激活能较小。中的扩散激活能较小。Q QH H=4.19=4.191010-4-4J/molJ/molQ QC C=1.31=1.311010-5-5J/molJ/molQ QN N=1.45=1.451010-5-5 J/mol J/mol39本讲稿第三十九页，共四十八页互扩散互扩散柯肯达
26、尔效应柯肯达尔效应置置换换式式固固溶溶体体中中，溶溶质质、溶溶剂剂原原子子大大小小相相近近，具具有有相相近近的迁移率，在扩散中的迁移率，在扩散中,溶质、溶剂原子同时扩散的现象。溶质、溶剂原子同时扩散的现象。柯柯肯肯达达尔尔最最先先发发现现互互扩扩散散，在在黄黄铜铜（30%Zn）铜铜扩扩散散偶偶中中，用用钼钼丝丝作作为为标标志志，785下下保保温温不不同同时时间间后后，钼钼丝丝向向黄黄铜铜内移动，移动量与保温时间的平方根成正比。内移动，移动量与保温时间的平方根成正比。现象：现象：56天天后后，D值值减减小小了了0.25mm；在在黄黄铜铜上上留留下下很很多多小小洞。洞。40本讲稿第四十页，共四十八
27、页若若DCu=DZn，Zn向向Cu中中的的扩扩散散与与Cu向向黄黄铜铜中中扩扩散散原原子子数数相相等等，锌锌原原子子尺尺寸寸大大于于铜铜原原子子尺尺寸寸，扩扩散散后后造造成成点点阵阵常常数数变变化化使使钼钼丝丝移移动动量量，只只相相当当于于实实验验值值的的1/10，故故点点阵阵常常数数变变化化不不是是引引起起钼钼丝丝移移动动的的唯唯一一原原因因，即即铜铜扩扩散散系系数数DCu不不可可能能与与DZn相相等等，只只能能是是DZnDcu。进进一一步步研研究究发发现现，Cu-黄黄铜铜分分界界面面黄黄铜铜侧侧出出现现宏宏观观疏疏孔孔，这这是是由由于于扩扩散散中中黄黄铜铜中中Zn向向铜铜中中扩扩散散量量大
28、大于于Cu原原子子从从铜铜向向黄黄铜铜中中扩扩散散量量，黄黄铜铜中中空空位位数数多多，超超过过平平衡衡浓浓度度，空空位位部部分分聚聚集集形形成成疏疏松松，这这说说明明在在置置换换式式固固溶溶体体中中扩扩散散的的主主要要机机制制是是空空位位扩扩散散。Cu-Au、Cu-Ni、Cu-Sn、Ni-Au、Ag-Cu、Ag-Zn中中均均有有此此现象。现象。41本讲稿第四十一页，共四十八页l将将一一块块纯纯铜铜和和纯纯镍镍对对焊焊起起来来，在在焊焊接接面面上上嵌嵌上上几几根根细细钨钨丝丝（惰惰性性）作作为标记。将试样加热到接近熔点的高温长时间保温，然后冷却。为标记。将试样加热到接近熔点的高温长时间保温，然后
29、冷却。现现象象：经经剥剥层层化化学学分分析析发发现现，经经扩扩散散后后惰惰性性的的钨钨丝丝向向纯纯镍镍一一侧侧移移动动了一段距离。了一段距离。分分析析：因因为为惰惰性性的的钨钨丝丝不不可可能能因因扩扩散散而而移移动动，镍镍原原子子与与铜铜原原子子直直径径相相差差不不大大，也也不不可可能能因因为为它它们们向向对对方方等等量量扩扩散散时时，因因原原子子直径差别而使界面两侧的体积产生这样大的差别。直径差别而使界面两侧的体积产生这样大的差别。结结论论：唯唯一一的的解解释释是是镍镍原原子子向向铜铜一一侧侧扩扩散散的的多多，铜铜原原子子向向镍镍一一侧侧扩散的少，使铜一侧伸长，镍一侧缩短。扩散的少，使铜一侧
30、伸长，镍一侧缩短。42本讲稿第四十二页，共四十八页l实实际际上上，纯纯物物质质晶晶体体中中原原子子会会从从一一个个晶晶格格点点向向另一个晶格点移动。另一个晶格点移动。l纯纯物物质质晶晶体体中中的的扩扩散散称称为为自扩散自扩散。l由由于于不不存存在在浓浓度度梯梯度度，自自扩扩散散产产生生于于晶晶体体中中的的原子的无规则随机运动。原子的无规则随机运动。l将将纯纯铜铜和和纯纯镍镍对对焊焊成成扩扩散散偶偶，将将其其加加热热保保温温并并随随时时检检查查浓浓度度分分布布情情况况，随随时时间间延延长长铜铜和和镍镍原原子子的的浓浓度度分布逐渐趋于均匀。分布逐渐趋于均匀。43本讲稿第四十三页，共四十八页镀镍硬币
31、镀镍硬币电镀电镀（滚镀）（滚镀）金金属属镍镍层层和和内内部部的的铁铁芯芯之之间间形形成成一一个个镍镍铁铁固固溶溶带带（或称扩散层）。（或称扩散层）。44本讲稿第四十四页，共四十八页而而AlAl，NiNi，MnMn，MoMo，W W等在等在 -Fe-Fe中形成置换固溶体时，扩散激活能要大得中形成置换固溶体时，扩散激活能要大得多，如：多，如：Q QAlAl=1.84=1.841010-5-5 J/mol J/molQ QNiNi=2.83=2.831010-5-5 J/mol J/molQ QMnMn=2.76=2.761010-5-5 J/mol J/molQ QMoMo=2.47=2.4710
32、10-5-5 J/mol J/molQ QW W=2.62=2.621010-5-5 J/mol J/mol3.3.晶体结构：结构不同的固溶体对扩散元素的溶解限度不同，造成晶体结构：结构不同的固溶体对扩散元素的溶解限度不同，造成浓度梯度不同，会影响扩散速率。浓度梯度不同，会影响扩散速率。如同一种元素在如同一种元素在-Fe-Fe中的扩散系数比在中的扩散系数比在-Fe-Fe中的大，其原因中的大，其原因是体心立方结构的致密度比面心立方结构的致密度小，原子较易迁移，是体心立方结构的致密度比面心立方结构的致密度小，原子较易迁移，即元素在体心立方结构中扩散比在面心立方结构中扩散快。即元素在体心立方结构中扩
33、散比在面心立方结构中扩散快。45本讲稿第四十五页，共四十八页-Fe的自扩散：的自扩散：D=5.8exp(-59700/RT)-Fe的自扩散：的自扩散：D =0.58exp(-67900/RT)二者比：二者比：D/D =10exp(8200/RT)在转变温度在转变温度T=910附近，附近，D/D =280。碳在碳在-Fe中扩散系数为：中扩散系数为：Dc=0.02exp(-20100/RT)碳在碳在 -Fe中扩散系数为：中扩散系数为：Dc=0.07exp(-32000/RT)二者比：二者比：Dc/Dc=0.3exp(11900/RT)46本讲稿第四十六页，共四十八页4.4.晶晶体体缺缺陷陷：若若以
34、以Q QL L、Q QB B和和Q QS S分分别别表表示示晶晶内内、晶晶界界和和表表面面扩扩散散激激活活能能；D DL L 、D DB B 和和D DS S分别表示晶内、晶界和表面的扩散系数，则一般规律是：分别表示晶内、晶界和表面的扩散系数，则一般规律是：Q QL LQQB BQQS S，所以，所以D DS S D DB B D DL L。即即晶晶界界、表表面面和和位位错错等等缺缺陷陷对对扩扩散散起起着着快快速速通通道道的的作作用用，这这是是由由于于晶晶体体缺陷处点阵畸变较大。缺陷处点阵畸变较大。原原子子处处于于较较高高的的能能量量状状态态，易易于于跳跳跃跃，故故各各种种缺缺陷陷处处的的扩扩散散激激活活能能均均比比晶内扩散激活能小，加快了原子的扩散。晶内扩散激活能小，加快了原子的扩散。5.5.化学成分化学成分 第第三三组组元元对对二二元元合合金金扩扩散散原原子子的的影影响响较较为为复复杂杂，可可能能提提高高其其扩扩散散速速率率，也可能降低，或者几乎无作用。具体情况具体分析。也可能降低，或者几乎无作用。具体情况具体分析。6.6.应力的作用应力的作用 应力越大，原子扩散的驱动力越大，原子扩散的速度越大。应力越大，原子扩散的驱动力越大，原子扩散的速度越大。47本讲稿第四十七页，共四十八页作业48本讲稿第四十八页，共四十八页