Di

Bici
i
ci
5
2. 扩散系数
根据溶液热力学，组元i 原子的化学位 为
i i0 kT ln i i0 kT ln ici
代入扩散系数公式
Di

Bici
i
ci
得组元i 原子的扩散系数
Di

kTBi (1
ln i
ln ci
)
(1 ln i )
18
5.5 影响扩散系数的因素
5 化学成分 结合键的强度、溶质浓度、第三组元等。
19
5.5 影响扩散系数的因素
20
5.5 影响扩散系数的因素
作业：复习思考题。
21
8
3. 上坡扩散
其它引起上坡扩散的因素： 弹性应力的作用--大直径原子跑向点阵的受拉部分， 小直径原子跑向点阵的受压部分，造成固溶体内溶 质原子的不均匀分布。
晶界的内吸附--某些原子易富集在晶界上，造成晶 界上该原子浓度高于晶内。
电场、温度场的作用--大的电场、温度场作用可使 原子按一定方向扩散，造成原子分布不均匀。
i

G ni
扩散的驱动力为化学位梯度，即:
F i
x
负号表示扩散驱动力指向化学位降低的方向。
4
2. 扩散系数
组元i 原子的平均运动速率为
i

Bi F

Bi
i
x
组元i 原子的扩散通量为
Ji
ci i
Bici
i
x
D ci x
组元i 原子的扩散系数为
第五章 材料中的扩散
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering.
扩散是固体中质量传输的唯McG一RAW途.HILL.径3/E 。 1
第五章 材料中的扩散
2
5.3 扩散的热力学
3
1. 扩散驱动力
对于多元体系，设n为组元i的原子数，则在等温等压条 件下，组元i原子的自由能可用化学位表示：
9
5.4 反应扩散
（1）反应扩散：扩散过程中，当溶质含量超过基 体金属的溶解度时，基体金属将发生相变形成新相， 这样的扩散过程称为反应扩散。 （2）反应扩散的例子: 钢中渗碳、渗氮。
10
5.4 反应扩散
例如：低碳钢渗碳
11
5.4 反应扩散12 Nhomakorabea 5.4 反应扩散
上述分析表明：二元合金反应扩散渗层中不存在两相 区，只能形成不同的单相区；同理，三元合金反应扩 散渗层中可以存在两相区，不能形成三相区。
原因：两相混合区 F i 0
x
13
5.5 影响扩散系数的因素
1 温度: 温度越高，扩散系数越大 。
（原子的振动能越大；空位浓度提高。）
D D0 exp( Q / RT )
例如：温度为927及1027℃时，碳在α-铁中的扩散系数：
14
5.5 影响扩散系数的因素
1 温度:
D D0 exp( Q / RT )
间隙原子扩散速度比置换原子快。
17
5.5 影响扩散系数的因素
4 晶体缺陷 晶内、晶界、表面的扩散系数不同。 晶界、表面和位错等对扩散起着快速通道的作用，这
是由于晶体缺陷处点阵畸变较大，原子处于较高的能量状 态，易于跳跃，故各种缺陷处的扩散激活能均比晶内扩散 激活能小，加快了原子的扩散。
对于间隙原子，位错与间隙原子发生交互作用，也可 能减慢扩散。
ln ci
称为热力学因子。
6
3. 上坡扩散
(1

ln ln
i
ci
)
<0时，Di<0,
发生上坡扩散。
概念：原子由低浓度处向高浓度处迁移的扩散。 驱动力：化学位梯度。
上坡扩散的例子：调幅分解（合金分解为两 相混合物）。
7
3. 上坡扩散
Fe-C-Si合金的上坡扩散（1050℃保温13小时）硅提高了 碳的化学位（左端：C0.004 ,Si0.038；右端：C0.004,不含Si)
15
5.5 影响扩散系数的因素
2 晶体结构: 致密度小的晶体结构较致密度大的晶体结构，原子
在其中的扩散系数大。
晶体结构对扩散有影响，有些金属存在同素异构转变， 当它们的晶体结构改变后，扩散系数也随之发生较大的变 化。例如铁在912℃时发生 -Fe -Fe转变，-Fe的自 扩散系数大约是 -Fe的240倍。所有元素在-Fe中的扩散 系数都比在-Fe中大，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。
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5.5 影响扩散系数的因素
3 固溶体的类型 不同类型的固溶体，原子的扩散机制是不同的。间隙固
溶体的扩散激活能一般均较小。例如：C，N等溶质原子在 铁中的间隙扩散激活能比Cr，Al等溶质原子在铁中的置换 扩散激活能要小得多，因此，钢件表面热处理在获得同样 渗层浓度时，渗C，N比渗Cr或Al等金属的周期短。