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1、1p定义：定义：系统内部的物质在系统内部的物质在浓度梯度浓度梯度化学位梯度化学位梯度应力梯度应力梯度的推动力下，由于质点的热运动而的推动力下，由于质点的热运动而导致导致定向迁移定向迁移，从宏观上表现为物，从宏观上表现为物质的质的定向输送定向输送，此过程叫，此过程叫扩散扩散。第1页/共112页2Furnace for heat treating steel using the carburization process.(Courtesy of Cincinnati Steel Treating).第2页/共112页3概概 述述 1 1、扩散的现象与本质、扩散的现象与本质 （1 1）扩扩散散：热
2、热激激活活的的原原子子通通过过自自身身的的热热振动克服束缚振动克服束缚而迁移它处的过程。而迁移它处的过程。（2 2）现象：）现象：柯肯达尔效应。柯肯达尔效应。（3 3）本本质质：原原子子无无序序跃跃迁迁的的统统计计结结果果。（不是原子的定向移动）。（不是原子的定向移动）。第3页/共112页4p柯肯达尔效应柯肯达尔效应:原原来来是是指指两两种种扩扩散散速速率率不不同同的的金金属属在在扩扩散散过过程程中中会会形形成成缺缺陷陷，现现已已成成为为中中空空纳纳米米颗颗粒粒的的一种制备方法。一种制备方法。可可以以作作为为固固态态物物质质中中一一种种扩扩散散现现象的描述。象的描述。第4页/共112页5第5页
3、/共112页62 2、扩散的分类、扩散的分类（1 1）根据有无浓度变化）根据有无浓度变化p自自扩扩散散：原原子子经经由由自自己己元元素素的的晶晶体体点点阵阵而而迁迁移移的的扩扩散散。(如如纯纯金金属属或或固固溶体的晶粒长大溶体的晶粒长大-无浓度变化无浓度变化)p互互扩扩散散：原原子子通通过过进进入入对对方方元元素素晶晶体体点点阵阵而而导导致致的的扩扩散散。（有有浓浓度度变变化化）第6页/共112页7（2 2）根据扩散方向）根据扩散方向p下下坡坡扩扩散散：原原子子由由高高浓浓度度处处向向低低浓度处进行的扩散。浓度处进行的扩散。p上上坡坡扩扩散散：原原子子由由低低浓浓度度处处向向高高浓度处进行的扩
4、散。浓度处进行的扩散。第7页/共112页8（3 3）根据是否出现新相）根据是否出现新相p原子扩散：原子扩散：扩散过程中不出现新相。扩散过程中不出现新相。p反反应应扩扩散散：导导致致形形成成一一种种新新相相的的扩扩散。散。第8页/共112页93 3、固态扩散的条件、固态扩散的条件 （1 1）温度足够高；）温度足够高；（2 2）时间足够长；）时间足够长；（3 3）扩散原子能固溶；）扩散原子能固溶；（4 4）具有驱动力：）具有驱动力：化学位梯度。化学位梯度。第9页/共112页10第第1 1节节 扩散定律扩散定律 1 1、菲克、菲克(Fick A)(Fick A)第一定律第一定律（1 1）第一定律描述
5、：）第一定律描述：p单单位位时时间间内内通通过过垂垂直直于于扩扩散散方方向向的的某某一一单单位位面面积积截截面面的的扩扩散散物物质质流流量量（扩扩散散通通量量J J）与浓度梯度成正比。与浓度梯度成正比。2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning is a trademark used herein under license.The flux during The flux during diffusion is defined diffusion is defined as the number o
6、f as the number of atoms passing atoms passing through a plane of through a plane of unit area per unit unit area per unit timetime第10页/共112页112003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.Illustration of the concentration gradient第11页/共112页12（2 2）表
7、达式：）表达式：p其其中中，C C溶溶质质原原子子浓浓度度；D-D-扩扩散散系系数。数。（3 3）适适用用条条件件：稳稳态态扩扩散散 -dc/dt=0dc/dt=0，浓度浓度及及浓度梯度浓度梯度不随时间改变。不随时间改变。第12页/共112页132 2、菲克第二定律、菲克第二定律 一维一维1 1）表达式）表达式 三维三维 稳态扩散稳态扩散：C/C/t=0t=0，J/J/x=0 x=0。2 2）适用条件）适用条件 非稳态扩散非稳态扩散:C/C/t0,t0,J/J/x0 x0 （C/C/t=t=J/J/x x）。）。第13页/共112页14CtCx C/x=常数CtJx C/t 0 J/x 0稳定
8、扩散稳定扩散(恒源扩散恒源扩散)不稳定扩散不稳定扩散第14页/共112页15p用途：用途：适用于适用于不同性质不同性质的扩散体系；的扩散体系；可用于求解可用于求解扩散质点浓度分布随时间和距离扩散质点浓度分布随时间和距离 而变化而变化的的不稳定扩散不稳定扩散问题。问题。p对二定律的评价：对二定律的评价：(1)(1)从宏观从宏观定量描述定量描述扩散，定义了扩散系数，但没扩散，定义了扩散系数，但没有给出有给出D D与结构与结构的明确关系；的明确关系；(2)(2)此定律仅是一种此定律仅是一种现象描述现象描述，它将浓度以外的一，它将浓度以外的一切影响扩散的因素都包括在扩散系数之中，而未赋予切影响扩散的因
9、素都包括在扩散系数之中，而未赋予其明确的物理意义；其明确的物理意义；(3)(3)研究的是研究的是一种质点一种质点的扩散的扩散(自扩散自扩散)；(4)(4)着眼点不一样着眼点不一样(仅从仅从动力学方向动力学方向考虑考虑)。第15页/共112页163 3）扩散第二定律的应用）扩散第二定律的应用（1 1）误差函数解）误差函数解p适适用用条条件件：无无限限长长棒棒和和半半无无限限长长棒棒。（恒恒定扩散源定扩散源p表表达达式式：C Cx x=C=Cs s(C(Cs s-C-C0 0)erf()erf(/2Dt)/2Dt)(半无限长棒半无限长棒)。p例例：在在渗渗碳碳条条件件下下：C Cs s:表表面面含
10、含碳碳量量;C C0 0:钢钢的的原原始始含含碳碳量量CC（）-,t-,t处处的的浓浓度度。第16页/共112页17（2 2）正弦解）正弦解C Cx,tx,t=C=Cp p+A+A0 0sin(x/)exp(-sin(x/)exp(-2 2Dt/Dt/2 2)其其中中,C,Cp p:平平均均成成分分；A A0 0：振振幅幅C Cmaxmax-C Cp p；:晶粒间距的一半。晶粒间距的一半。p例例：对对于于均均匀匀化化退退火火，若若要要求求晶晶粒粒中中心成分偏析振幅降低到心成分偏析振幅降低到1/100,1/100,则：则：C(C(2,t)-C2,t)-Cp p/(C/(Cmaxmax-C-Cp
11、p)=)=exp(-exp(-2 2Dt/Dt/2 2)=1/100)=1/100。xc第17页/共112页18（3 3）高斯解）高斯解(薄膜解）薄膜解）C Cx x=(M/=(M/DT)exp(-xDT)exp(-x2 2/4Dt)/4Dt)p适用条件：适用条件：限定扩散源、衰减薄膜源限定扩散源、衰减薄膜源（扩散物质总量（扩散物质总量M M不变；不变；t=0,c=0)t=0,c=0)。p例：半导体例：半导体SiSi中中P P的掺杂。的掺杂。第18页/共112页19 3 3）扩散方程的应用）扩散方程的应用（1 1）FickFick一定律的应用一定律的应用p 气气体体通通过过玻玻璃璃陶陶瓷瓷薄薄
12、片片的的渗渗透透以以及及气罐中气体的泄露都可以看作稳定扩散。气罐中气体的泄露都可以看作稳定扩散。第19页/共112页20p例例：气气体体通通过过玻玻璃璃的的渗渗透透，求求单单位位时时间间内内通通过过玻玻璃璃渗渗透透的的气体量。气体量。PP2 2P P1 1(玻玻璃璃两两侧侧的的压压力力）SS2 2S S1 1（气气体体在在玻玻璃璃中中的的溶溶解量）解量）积分：积分：双原子分子气体溶解度与压力的关系为：双原子分子气体溶解度与压力的关系为：则：则：第20页/共112页21（2 2）FickFick二定律的应用二定律的应用p实实际际是是根根据据不不同同的的边边界界初初始始条条件件，求求解解二二阶偏微
13、分方程。阶偏微分方程。p常用的两种解：常用的两种解：）恒源恒源向半无限大物体扩散的解；向半无限大物体扩散的解；）有有限限源源向向无无限限大大或或半半无无限限大大物物体体扩扩散散的解。的解。式中：式中：KK玻璃的透气率；玻璃的透气率；AA玻璃面积。玻璃面积。第21页/共112页22）恒源向半无限大物体扩散：）恒源向半无限大物体扩散：p如晶体处于扩散物质的恒定蒸气压下，气相扩散的情形（例如把硼添加到硅片中）。如晶体处于扩散物质的恒定蒸气压下，气相扩散的情形（例如把硼添加到硅片中）。p例，例，A A、B B两棒对接，物质两棒对接，物质A A沿沿X X方向向方向向B B中扩散中扩散 边界条件：边界条件
14、：t=0t=0时时,x0,x0 x0处，处，c=cc=c1 1=0 =0 t0 t0时，时，x0 x0 CX0 C（x x，t t）=0=0 t0 t0时，扩散到晶体内的质点总数不变，为时，扩散到晶体内的质点总数不变，为Q Q式中：式中：Q 扩散物质的总量（常数）。扩散物质的总量（常数）。第34页/共112页35p 有有限限源源向向半半无无限限大大物物体体扩扩散散的的解解常常用用于于扩扩散散系系数数的测定。的测定。p具具体体方方法法为为：将将放放射射性性示示踪踪剂剂涂涂抹抹或或沉沉积积在在磨磨光光的的尺尺寸寸一一定定的的长长棒棒状状试试样样的的端端面面，加加热热，促促使使示示踪剂扩散，隔一定时
15、间做退火处理，切片。踪剂扩散，隔一定时间做退火处理，切片。p测各切片中示踪原子的放射强度测各切片中示踪原子的放射强度I I（x xt t）。）。向半无限大物体扩散：向半无限大物体扩散：第35页/共112页36 两边取对数，两边取对数，第36页/共112页37第第2 2节节 扩散机制扩散机制 1 1、扩散机制、扩散机制 间隙间隙；间隙间隙；（1 1）间隙机制）间隙机制 平衡位置间隙间隙：较困难；平衡位置间隙间隙：较困难；间隙篡位结点位置。间隙篡位结点位置。（间隙固溶体中间隙原子的扩散机制间隙固溶体中间隙原子的扩散机制。）。）第37页/共112页38 方方式式：原原子子跃跃迁迁到到与与之之相相邻邻
16、的的空空位；位；（2 2）空位机制）空位机制 条件：条件：原子近旁存在空位。原子近旁存在空位。（金金属属和和置置换换固固溶溶体体中中原原子子的的扩扩散散。）2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.第38页/共112页39 直接换位直接换位（3 3）换位机制）换位机制 环形换位环形换位 （所需能量较高。）（所需能量较高。）2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning
17、isatrademarkusedhereinunderlicense.第39页/共112页40 2 2、扩散程度的描述、扩散程度的描述（1 1）原子跃迁的距离）原子跃迁的距离R=t R=t R:R:扩扩散散距距离离；：原原子子跃跃迁迁的的频频率（在一定温度下恒定）；率（在一定温度下恒定）；:原原子子一一次次跃跃迁迁距距离离（如如一一个个原原子间距）。子间距）。第40页/共112页41（2 2）扩散系数）扩散系数D=D=2 2PPp对对于于立立方方结结构构晶晶体体P=1/6,P=1/6,上上式式可可写写为为D=D=2 2/6/6其中，其中，P P为跃迁方向几率；为跃迁方向几率；是是常常数数，对对
18、于于简简单单立立方方结结构构 a;a;对对于于面面向向立立方方结结构构 2a/2;2a/2;3a/23a/2。第41页/共112页42（3 3）扩散激活能）扩散激活能Q:Q:p原原子子跃跃迁迁时时所所需需克克服服周周围围原原子子对对其其束束缚的势垒缚的势垒。2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.第42页/共112页43p间隙扩散间隙扩散激活能与扩散系数的关系激活能与扩散系数的关系D=DD=D0 0exp(-Q/RT)exp(-Q/RT)式中
19、，式中，D D0 0：扩散常数。：扩散常数。p空位扩散空位扩散激活能与扩散系数的关系激活能与扩散系数的关系 D=DD=D0 0exp(-E/kT)exp(-E/kT)式式中中，E=EE=Ef f(空空位位形形成成功功)+Em)+Em（空空位迁移激活能）。位迁移激活能）。第43页/共112页443 3、扩散的驱动力与上坡扩散、扩散的驱动力与上坡扩散 （1 1）扩散的驱动力）扩散的驱动力p对对于于多多元元体体系系，设设n n为为组组元元i i的的原原子子数数，则则在在等等温温等等压压条条件件下下，组组元元i i原原子子的的自自由由能能可用可用化学位化学位表示：表示：i i=G/G/n ni ip扩
20、散的驱动力扩散的驱动力为为化学位梯度化学位梯度，即，即:F=-F=-i i/x x 负负号号表表示示扩扩散散驱驱动动力力指指向向化化学学位位降降低低的方向。的方向。第44页/共112页45 （2 2）扩散的热力学因子）扩散的热力学因子p组元组元i i的的扩散系数扩散系数可表示为：可表示为：D Di i=KTB=KTBi i(1+(1+lnln i i/lnClnCi i)其其中中，(1+(1+lnln i i/lnClnCi i)称称为为热热力学因子力学因子。当当(1+(1+lnln i i/lnClnCi i)0)0时时，D Di i0,0,发生上坡扩散发生上坡扩散。第45页/共112页46
21、3 3）上坡扩散）上坡扩散p定定义义：原原子子由由低低浓浓度度处处向向高高浓浓度度处处迁迁移移的的扩扩散。散。p驱动力：驱动力：化学位梯度。化学位梯度。p引起上坡扩散的因素：引起上坡扩散的因素：弹弹性性应应力力的的作作用用：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，小小直直径径原原子子跑跑向向点点阵阵的的受受压压部部分。分。晶晶界界的的内内吸吸附附：某某些些原原子子易易富富集集在在晶晶界界上。上。电电场场作作用用：大大电电场场作作用用可可使使原原子子按按一一定定方向扩散。方向扩散。第46页/共112页47 4 4、反应扩散、反应扩散 1 1）反反应应扩扩散散：有有新新相相生生成
22、成的扩散过程。的扩散过程。2 2）相分布规律：）相分布规律：p二二元元扩扩散散偶偶中中不不存存在在两两相相区区，只能形成不同的单相区；只能形成不同的单相区；p三三元元扩扩散散偶偶中中可可以以存存在在两两相相区区，不能形成三相区。，不能形成三相区。第47页/共112页481 1 温度温度2 2 固溶体的类型：固溶体的类型：扩散机制不同。扩散机制不同。3 3 晶体结构：晶体结构：扩散系数、溶解度、各向异性扩散系数、溶解度、各向异性等。等。4 4 晶体缺陷：晶体缺陷：晶内、晶界、表面的扩散系数晶内、晶界、表面的扩散系数不同；位错有利于扩散，也可减慢扩散。不同；位错有利于扩散，也可减慢扩散。5 5 化
23、学成分：化学成分：结合键的强度、溶质浓度、第结合键的强度、溶质浓度、第三组元等。三组元等。6 6 应力的作用应力的作用4h第第3节影响扩散的因素节影响扩散的因素第48页/共112页49p扩散是一个基本的扩散是一个基本的动力学过程动力学过程；p对对材料制备材料制备、加工中的、加工中的性能变化性能变化及及显微结构显微结构形成形成以及材料使用过程中以及材料使用过程中性能衰减性能衰减起着起着决定决定性的作用性的作用；p对相应过程的控制，往往对相应过程的控制，往往从影响扩散速度的从影响扩散速度的因素入手来控制因素入手来控制；p因此，掌握影响扩散的因素对深入理解扩散因此，掌握影响扩散的因素对深入理解扩散理
24、论以及应用扩散理论解决实际问题具有理论以及应用扩散理论解决实际问题具有重重要意义要意义。第49页/共112页50p扩散系数扩散系数是决定扩散速度的是决定扩散速度的重要参量重要参量。p影响扩散系数因素的影响扩散系数因素的基础公式基础公式：p上式表明：上式表明：扩散系数主要决定于扩散系数主要决定于温温度度，显于函数关系中；，显于函数关系中；其它因素其它因素则隐则隐含于含于D D0 0和和Q Q中，这些因素可分为中，这些因素可分为外在因素外在因素和和内在因素内在因素两大类。两大类。第50页/共112页51一、扩散介质结构的影响一、扩散介质结构的影响p通常，扩散通常，扩散介质结构越紧密介质结构越紧密，
25、扩散越困难扩散越困难，反之亦然。，反之亦然。p例如，在一定温度下，锌在具有例如，在一定温度下，锌在具有体心立方点阵结构体心立方点阵结构(单位晶胞中含单位晶胞中含2 2个原子个原子)的的-黄铜黄铜中的扩散系数大于具有在中的扩散系数大于具有在面心立方点阵结构面心立方点阵结构(单位晶胞中含单位晶胞中含4 4个原子个原子)时时-黄黄铜铜中的扩散系数。中的扩散系数。p固溶体结构类型固溶体结构类型对扩散有着显著影响。对扩散有着显著影响。p例如，例如，间隙型间隙型固溶体比固溶体比置换型置换型容易扩散。容易扩散。第51页/共112页52二、扩散相与扩散介质的性质差异二、扩散相与扩散介质的性质差异p一般说来，一
26、般说来，扩散相与扩散介质性质差异越大扩散相与扩散介质性质差异越大,扩散系数也越大扩散系数也越大。p这是因为当扩散介质原子附近的应力场发生畸变时，就这是因为当扩散介质原子附近的应力场发生畸变时，就较易形成空位较易形成空位和和降低扩降低扩散活化能散活化能而有利于扩散。而有利于扩散。p故扩散原子与介质原子间故扩散原子与介质原子间性质差异越大性质差异越大，引起应力场的，引起应力场的畸变也愈烈畸变也愈烈，扩散系数扩散系数也就愈大也就愈大。第52页/共112页53若干金属在铅中的扩散系数若干金属在铅中的扩散系数扩散扩散元素元素原子原子半径半径(A)(A)在铅中的在铅中的溶解度溶解度极限极限(原子比原子比)
27、扩散元素扩散元素的熔化温的熔化温度度()()扩散系数扩散系数(cm(cm2 2/sec)/sec)AuAuTiTiPbPbBiBiAgAgCdCdSnSn Sb Sb44441.711.711.741.741.821.821.441.441.521.521.531.531.611.610.050.05797910010035350.120.121.71.72.92.93.53.5106310633033033273272712719609603213212322326306304.6104.6105 53.6103.610-10-10710710-11-114.4104.410-10-109.
28、1109.110-8-8210210-9-91.6101.610-10-106.4106.410-10-10第53页/共112页54三、结构缺陷的影响三、结构缺陷的影响p实验表明，在金属材料和离子晶体中，原子或离子在实验表明，在金属材料和离子晶体中，原子或离子在晶界上扩散晶界上扩散远比在远比在晶粒内部扩晶粒内部扩散散来得快。来得快。p实验表明，其些实验表明，其些氧化物晶体材料的晶界氧化物晶体材料的晶界对离子的扩散有选择性的对离子的扩散有选择性的增加作用。增加作用。p例如，在例如，在FeFe2 2O O3 3、CoOCoO、SrTiOSrTiO3 3材料中，晶界或位错有增加材料中，晶界或位错有增
29、加O O2-2-离子的扩散作用；而离子的扩散作用；而在在BeOBeO、UOUO2 2、CuCu2 2O O和和(Zr(Zr，Ca)OCa)O2 2等材料中则无此效应。等材料中则无此效应。第54页/共112页55AgAg的自扩散系数的自扩散系数D Db b，晶界扩散系数，晶界扩散系数D Dg g和表面扩散系数和表面扩散系数D Ds sDsDgDg第55页/共112页56四、温度的影响四、温度的影响p由上式可知由上式可知D D与温度成指数关系，可与温度成指数关系，可见温度对扩散速度影响很大。见温度对扩散速度影响很大。p例如例如,当温度从当温度从500500升高到升高到900900时，时，FeFe在
30、在-Fe-Fe中的扩散系数从中的扩散系数从 1010-21-21增加增加到到 1010-15-15m m2 2/s/s，增加了近六个数量级。，增加了近六个数量级。第56页/共112页57五、杂质的影响五、杂质的影响p利用杂质对扩散的影响是人们改善利用杂质对扩散的影响是人们改善扩散的扩散的主要途径主要途径。p一般而言，一般而言，高价阳离子高价阳离子的引入可造的引入可造成晶格中出现成晶格中出现阳离子空位阳离子空位和和造成晶格造成晶格畸变畸变，从而使阳离子，从而使阳离子扩散系数增大扩散系数增大。p若杂质原子与结构中部分空位发生若杂质原子与结构中部分空位发生缔合缔合，往往会使结构中，往往会使结构中总空
31、位增加总空位增加而而有利于扩散。有利于扩散。第57页/共112页58六、浓度的影响六、浓度的影响p扩散系数是随浓渡而变化的，有些扩扩散系数是随浓渡而变化的，有些扩散系统如金散系统如金-镍系统中浓度的变化使镍系统中浓度的变化使镍和金的自扩散系数发生显著地变化。镍和金的自扩散系数发生显著地变化。七、合金元素的影响七、合金元素的影响p在二元合金中加入第三元素时，扩散在二元合金中加入第三元素时，扩散系数也发生变化。系数也发生变化。第58页/共112页59第第4节几个特殊的有关扩散的实际问题节几个特殊的有关扩散的实际问题一、一、离子晶体的扩散离子晶体的扩散表表 离子晶体的点缺陷离子晶体的点缺陷第59页/
32、共112页60离子晶体的点缺陷离子晶体的点缺陷第60页/共112页61p烧结过程是一门古老的工艺。烧结过程是一门古老的工艺。p现在，烧结过程在许多工业部门得到现在，烧结过程在许多工业部门得到广泛应用广泛应用，如，如陶瓷、耐火材料、粉末冶金、陶瓷、耐火材料、粉末冶金、超高温材料超高温材料等生产过程中都含有烧结过程。等生产过程中都含有烧结过程。p烧结的目的是把粉状材料转变为烧结的目的是把粉状材料转变为致密体致密体。p研究物质在烧结过程中的研究物质在烧结过程中的各种物理化学变化各种物理化学变化,对指导生产、控制产品质量，研制新对指导生产、控制产品质量，研制新型材料显得特别重要。型材料显得特别重要。二
33、、烧结二、烧结第61页/共112页62三、纳米晶体材料的扩散问题三、纳米晶体材料的扩散问题表表7-67-6纳米微晶纳米微晶CuCu，单晶，单晶CuCu及普通多晶及普通多晶CuCu的自扩散系数的自扩散系数表表7-77-7纳米微晶纳米微晶CuCu、多晶、多晶CuCu和单晶和单晶CuCu的自扩散激活能的自扩散激活能第62页/共112页63第第56节节 固态相变固态相变(形核与晶体成长形核与晶体成长)第63页/共112页64一、概述一、概述界面能增加界面能增加；额外弹性应变能额外弹性应变能：比体积差；：比体积差；扩扩散散困困难难（新新、旧旧相相化化学学成成分分不不同同时时）。固态固态相变相变困难困难1
34、 1、相变阻力大、相变阻力大（一）固态相变的特点（一）固态相变的特点第64页/共112页65 共格共格界面类型界面类型 半共格半共格 非共格非共格降低界面能降低界面能,形形成共格、半共成共格、半共格界面格界面位向位向关系关系2 2、新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系、新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系p新相的某一晶面和晶向分别与母相的某一晶面、晶新相的某一晶面和晶向分别与母相的某一晶面、晶向向平行平行。第65页/共112页663 3、惯习现象、惯习现象p新相沿新相沿特定的晶向特定的晶向在母相在母相特定晶面特定晶面上形成。上形成。惯习方向惯习方向 （母相）（母相）惯习面惯习面p原
35、原因因：沿沿应应变变能能最最小小的的方方向向和和界界面面能能最最低低的界面发展。的界面发展。第66页/共112页67 点点缺陷类型缺陷类型 线线 面面4 4、母相晶体缺陷促进相变、母相晶体缺陷促进相变晶格畸变、自由能高，晶格畸变、自由能高，促进形核及相变。促进形核及相变。（思考：晶粒细化对相变的影响）（思考：晶粒细化对相变的影响）第67页/共112页685 5、易出现过渡相、易出现过渡相p固固态态相相变变阻阻力力大大，直直接接转转变变困困难难协协调调性性中间产物中间产物（过渡相）。（过渡相）。FeFe3 3C C +(3Fe+C)+(3Fe+C)例例 M M +Fe+Fe3 3C C第68页/
36、共112页69（二）（二）固态相变的分类固态相变的分类 1 1、按相变过程中原子迁移情况、按相变过程中原子迁移情况（1 1）扩扩散散型型：依依靠靠原原子子的的长长距距离离扩扩散散；相相界界面面非非共共格格。如如、珠珠光光体体、奥奥氏氏体体转转变变，Fe,CFe,C都都可可扩散。扩散。（2 2）非非扩扩散散型型：旧旧相相原原子子有有规规则则地地、协协调调一一致致地地通通过过切切变变转转移移到到新新相相中中；相相界界面面共共格格、原原子子间间的的相相邻邻关关系系不不变变；化化学学成成分分不不变变。如如、马马氏氏体体转变，转变，Fe,CFe,C都不扩散。都不扩散。（3 3）半半扩扩散散型型：既既有有
37、切切变变，又又有有扩扩散散。如如、贝氏体转变，贝氏体转变，FeFe切变，切变，C C扩散。扩散。第69页/共112页702 2、按相变方式分类、按相变方式分类（1 1）有核相变：）有核相变：p有有形形核核阶阶段段，新新相相核核心心可可均均匀匀形形成成，也也可择优形成。可择优形成。p大多数固态相变属于此类。大多数固态相变属于此类。（2 2）无核相变：）无核相变：p无无形形核核阶阶段段，以以成成分分起起伏伏作作为为开开端端，新新旧相间无明显界面，如旧相间无明显界面，如调幅分解调幅分解。第70页/共112页713 3、按热力学函数变化分类、按热力学函数变化分类（1 1）一级相变：）一级相变：p相相变
38、变时时两两相相的的化化学学位位相相等等，而而化化学学位位对对温温度度及及压力的一阶偏微分（压力的一阶偏微分（S,VS,V）不等的相变。）不等的相变。p伴伴随随潜潜热热的的释释放放和和体体积积的的改改变变。如如蒸蒸发发、升升华华、熔化以及大多数固态晶型转变属于此类。熔化以及大多数固态晶型转变属于此类。（2 2）二级相变：）二级相变：p相相变变时时两两相相的的化化学学位位相相等等，化化学学位位的的一一阶阶偏偏微微分也相等，但二阶偏微分不相等的相变。分也相等，但二阶偏微分不相等的相变。p没没有有相相变变潜潜热热和和体体积积改改变变，有有比比容容、压压缩缩系系数数、膨膨胀胀系系数数变变化化。如如磁磁性
39、性转转变变、有有序序-无无序序转转变变、超导转变等属于此类。超导转变等属于此类。第71页/共112页72（三）常见固态相变类型（三）常见固态相变类型 相变名称相变名称 相变特征相变特征同素异构转变同素异构转变 同一种元素通过形核与长大发生晶体结构的变化同一种元素通过形核与长大发生晶体结构的变化多型性转变多型性转变 合金中晶体结构的变化合金中晶体结构的变化脱溶转变脱溶转变 过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相共析转变共析转变 一个固相转变为两个结构不同的固相一个固相转变为两个结构不同的固相包包析析转转变变 两两个个不不同同结结构构的的固固相相转转变
40、变为为一一个个新新的的固固相相，组组织织中中一般一般 有某相残余有某相残余马马氏氏体体转转变变 新新旧旧相相之之间间成成分分不不变变、切切变变进进行行、有有严严格格位位向向关关系系、有有 浮凸效应浮凸效应贝贝氏氏体体转转变变 兼兼具具马马氏氏体体和和扩扩散散转转变变的的特特点点，借借助助铁铁的的切切变变和和碳碳的扩的扩 散进行散进行调调幅幅分分解解 非非形形核核转转变变，固固溶溶体体分分解解成成结结构构相相同同但但成成分分不不同同的的两相两相有有序序化化转转变变 合合金金元元素素原原子子从从无无规规则则排排列列到到有有规规则则排排列列，但但结结构构不变。不变。第72页/共112页73二、二、固
41、态相变的形核与长大固态相变的形核与长大 （一）均匀形核（能量条件）（一）均匀形核（能量条件）1 1、形核时的能量变化、形核时的能量变化 相变驱动力相变驱动力（1 1）化学自由能）化学自由能 GvGvT T曲线曲线（体积自由能，体积自由能，GvGv）随成分变化随成分变化第73页/共112页74相变阻力相变阻力 （2 2）界面能）界面能 取决于界面结构取决于界面结构 （，S S）（与过冷度有关）（与过冷度有关）TT越大，晶核越小，越大，晶核越小，S S 大大共格共格/半共半共格格 TT越小，晶核越大，越小，晶核越大，S S 小小非共格非共格第74页/共112页75（3 3）应变能）应变能(,V,V
42、)相变阻力。相变阻力。分类：分类：p共格应变能：共格应变能：共格大，半共格小，非共格共格大，半共格小，非共格0 0；p体体积积应应变变能能：体体积积差差和和新新相相几几何何形形状状球球状状最最大；片状最小；针状居中。大；片状最小；针状居中。第75页/共112页76 2 2、形核的能量条件、形核的能量条件GGVGv+SVGv+S +V+V 0 0r rK K=2=2 /(Gv-/(Gv-)GGK K=16=16/3(Gv-/3(Gv-)2 2第76页/共112页77（二）非均匀形核（能量条件）（二）非均匀形核（能量条件）p固态相变固态相变均匀形核的可能性很小均匀形核的可能性很小；p非非均均匀匀形
43、形核核（依依靠靠晶晶体体缺缺陷陷）是是主主要的形核方式要的形核方式。第77页/共112页78 1 1、不同晶体缺陷对形核的作用、不同晶体缺陷对形核的作用（1 1）晶界形核）晶界形核p 能量高，降低能量高，降低GGK K；p 结构混乱，降低结构混乱，降低；p 易扩散、偏析，利于扩散相变；易扩散、偏析，利于扩散相变；p 新相新相/母相形成共格、半共格界面降低界面能。母相形成共格、半共格界面降低界面能。第78页/共112页79（2 2）位错形核）位错形核p 新新相相生生成成处处位位错错消消失失，能能量量释释放放，提提高高驱动力驱动力；p 可作为可作为半共格界面的形成部分半共格界面的形成部分；p 易于
44、发生偏聚（气团）有利于易于发生偏聚（气团）有利于成分起伏成分起伏；p 易于扩散易于扩散，有利于发生扩散型相变。，有利于发生扩散型相变。第79页/共112页80（3 3）空位形核）空位形核 p 促进扩散促进扩散；p 新相生成处空位消失，新相生成处空位消失，提供能量提供能量；p 空位群可空位群可凝结成位错凝结成位错；p 在在过过饱饱和和固固溶溶体体的的脱脱溶溶析析出出过过程程中中，空位作用更明显。空位作用更明显。第80页/共112页812 2、非均匀形核的能力变化、非均匀形核的能力变化GGVGv+SVGv+S+V+V GGD DpGGD D晶晶体体缺缺陷陷导导致致系系统统降降低低的的能能量。量。第
45、81页/共112页82第第7 7节节 扩散型相变共析转变扩散型相变共析转变p共析转变：共析转变：是指由单一的固态母相分解为是指由单一的固态母相分解为两个（或多个）结构与成分不同的新相过程。两个（或多个）结构与成分不同的新相过程。p其反应式：其反应式：+。p特点：特点：也包括形核长大过程，但由于转变在也包括形核长大过程，但由于转变在固态下进行，原子扩散缓慢，因此转变速率远固态下进行，原子扩散缓慢，因此转变速率远低于共晶转变。低于共晶转变。p组织：组织：共析组织与共晶组织的形貌类似，两共析组织与共晶组织的形貌类似，两相交替分布，可有片状、棒状等不同形态。相交替分布，可有片状、棒状等不同形态。第82
46、页/共112页83p例如，铁碳合金中的共析组织由片层例如，铁碳合金中的共析组织由片层状的铁素体与渗碳体所组成，称状的铁素体与渗碳体所组成，称珠光体珠光体。退火共析钢显微组织退火共析钢显微组织第83页/共112页841 1、共析转变的形核、共析转变的形核p共析转变时，新相常在母相共析转变时，新相常在母相晶界处形核，并以两相交替形晶界处形核，并以两相交替形成的方式进行。成的方式进行。p根据母相根据母相 的晶界结构、成的晶界结构、成分、转变温度的不同，新相分、转变温度的不同，新相 和和 中可能某一个为领先相。中可能某一个为领先相。p领先相形成时，通常与相邻领先相形成时，通常与相邻晶粒之一有一定位相关
47、系，而晶粒之一有一定位相关系，而与另一晶粒无特定位向关系。与另一晶粒无特定位向关系。a a）b b）c c）d d）e e）共析转变的形核与生长示意图共析转变的形核与生长示意图 第84页/共112页852 2、共析转变产物的生长、共析转变产物的生长p共析体形核后，靠原子的共析体形核后，靠原子的短程扩散短程扩散，导致，导致两相藕合长两相藕合长。p原子的扩散主要沿新相与母相的界面进行原子的扩散主要沿新相与母相的界面进行，至少这种界面扩散在共析体长大过程中应至少这种界面扩散在共析体长大过程中应当起到不可忽视的作用。当起到不可忽视的作用。p长大机制如图。长大机制如图。cc cABB%T/T/cccc
48、cc c （a a）（b b）图5-15 共析体生长时溶质原子的扩散第85页/共112页86第第8 8节节 无扩散相变无扩散相变p无扩散相变：无扩散相变：是指相变前后只是晶体是指相变前后只是晶体结构发生变化结构发生变化而而成分不改变成分不改变的相变属于。的相变属于。无扩散相变中原子可采用无扩散无扩散相变中原子可采用无扩散切变方式切变方式完成晶格改组，也可借助热激活靠完成晶格改组，也可借助热激活靠短程短程扩散扩散跨过相界面完成相变。跨过相界面完成相变。p常见的无扩散相变：常见的无扩散相变：陶瓷的同质异构转变、金属的陶瓷的同质异构转变、金属的马氏马氏体转变体转变和块型转变等。和块型转变等。第86页
49、/共112页871 1、陶瓷的同质异构转变、陶瓷的同质异构转变p大多数陶瓷随温度的变化要发生大多数陶瓷随温度的变化要发生晶型的转变晶型的转变，这些同素转变过程往往这些同素转变过程往往不需离子的长程扩散不需离子的长程扩散，故可故可认为是无扩散相变。认为是无扩散相变。p在同素相变中的无扩散相变分在同素相变中的无扩散相变分两类两类：第一类第一类重构型重构型相变；第二类相变；第二类位移型位移型相变。相变。两种无扩散相变模型两种无扩散相变模型位移型位移型重构型重构型第87页/共112页882 2、块型转变、块型转变p块型转变最初是在块型转变最初是在Cu-ZnCu-Zn合金合金中发现的，后来在中发现的，后
50、来在铜铜基合金基合金、银基合金银基合金及及铁碳铁碳合金合金等合金系中也发现了等合金系中也发现了该类型转变。该类型转变。p由由Cu-ZnCu-Zn二元相图可知，二元相图可知，Cu-38at%ZnCu-38at%Zn合金由合金由 相区，相区，快速冷却，通过快速冷却，通过+两相区两相区时，时，可避免发生脱溶分解可避免发生脱溶分解和马氏体转变和马氏体转变，由由 相转变相转变为成分与母相相同的为成分与母相相同的 相相。第88页/共112页89p这种块状的这种块状的 相在相在 相晶界上形核相晶界上形核，以以每秒数厘米的速度很快长入周围每秒数厘米的速度很快长入周围 相相中，因此中，因此原子来不及长程扩散原子