低碳钢的渗碳处理
C%
金属材料渗铝、渗硅、渗铬….. 半导体的掺杂，………………..
M%
Sintering and Densification of Powders
粉末的烧结与致密化
扩散连接-Diffusion Bonding
扩散的宏观规律
菲克第一定律 Fick’s First Law
当浓度梯度为常数时（dc/dx = const.）
• 其他合金元素的影响：或增加或减小或无影响 • 溶质浓度：
• 钢中：Si、Co等非碳化物形成元素显著提高碳 的活度提高碳的扩散系数
• 钢中：Ti、Mo、Cr、V、W等强碳化物形成元 素显著降低碳的活度显著降低碳的扩散系数
扩散在材料制备加工及使 用过程中的作用及重要性
控制扩散过程即控制材料 的动力学过程，是控制材 料组织、提高材料性能与 制备新材料的基础！
固体金属中的扩散
Diffusion in Metallic Solids
•热力学 Thermodynamics
•动力学 Kinetics
质量传输
Mass Transfer
•Diffusion 扩散 •Convection 对流
固体金属中扩散现象
扩散的基本概念
• 固体金属中原子的扩散：在浓度 梯度（化学位梯度）驱动下、通 过原子的热激活作用（系统能量 起伏、大量原子的无规则跃迁）、 发生的宏观物质定向传输现象
• Up-Hill Diffusion 上坡扩散 • 过炮和固溶体的调幅分解
Kirkendall效应 （ Kirkendall Effect）
Molybdenum Wire Copper Brass （Cu-Zn Alloy）
DZn > Dcu
扩Байду номын сангаас的微观机制
（Mechanisms of Diffusion）
熔点越高扩散激活能越大扩散系数越小
原子间结合力越强扩散激活能越大扩散系 数越小
原子尺寸差越小晶格奇变越小扩散系数越 小
化学亲和力越高（原子间结合力越强）扩散 激活能越大扩散系数越小
影响扩散的因素
• 溶剂金属性质：晶体结构、熔点、结合能
晶体结构致密度越高（BCC与 FCC相差1500 倍) 原子扩散激活能越高、扩散系数越小
Vacancy Mechanism:
Diffusion of Substitutional Solute Atoms
空位机制：置换式溶质原子
（置换式原子的扩散就是空位的反向运动）
空位机制：置换式溶质原子
（置换式原子的扩散就是空位的反向运动）
间隙机制：间隙溶质原子 Interstitial Mechanism: Diffusion of Interstitial Atoms
• 材料制备、加工与成形过程（合金 冶炼、熔炼合金化、铸造、焊接、 热处理、热机械处理、锻造、轧制、 超塑成形、均匀化退火或扩散退火、 扩散连接、粉末冶金烧结、金属的 塑性变形、机械合金化……）
• 表面化学热处理（渗碳、渗氮、渗 金属等）及表面掺杂等
• 材料的摩擦磨损过程
• 材料的高温力学性能………..
D = Do × e-Q/RT Ln D = ln Do－Q/RT
Ln Do 斜率 k = Q/R 求出Q
Ln D
1/T
几种典型扩散现象
• 下坡扩散Down-Hill Diffusion ： • 上坡扩散 Up-Hill Diffusion:
•Down-Hill Diffusion
DA, DB
晶 体 结 构 的 影 响
影响扩散的因素
• 晶体缺陷密度： 空位浓度: 过饱和空位（固溶后不能停留太长时间） 位错及层错密度：是扩散的快速通道 晶界（晶粒尺寸）: 纳米材料（表面纳米化－渗氮） 相界:
• 表面曲率：曲率半径越小、表面自由能越高、扩散 驱动力越大（粉末冶金烧结、小晶粒缩小大晶粒长大）
学位梯度、应变能梯度、表面能梯 度）
扩散对材料科学与工程的意义
材料合成、加工制备、使用过程就是控制扩散 的过程：
• 固态相变与热处理过程：完全依靠原子扩散 • 凝固加工（铸造、焊接、…….) • 材料热加工（热锻、热轧、热挤压, ……) • 材料的高温力学性能与氧化、腐蚀性能： • 粉末冶金烧结： • 表面化学热处理与表面渗工艺， • 扩散连接, …….
J = －D (dc/dx)
扩散通量J：g/cm2.s 扩散系数 D: cm2/s
D ＝ Do exp (-Q/RT)
菲克第二定律 Fick’s Second Law
菲克第二定律 Fick’s Second Law
扩散系数
D = Do e-Q/kT
Ln D = ln Do－Q/kT
扩散激活能及其实验求法
间隙机制：间隙溶质原子
• 扩散激活能Q：较置换式原子小得多
位错、层错、晶界、相界、表面
面缺陷(晶界、相界、表面): 溶质原子扩散的快速通道
晶内、晶界及表面扩散系数
晶内、晶界及表面扩散系数
影响扩散的因素：D = Do×exp(-Q/RT)
• 温度： D = Do×exp(-Q/RT)
• 扩散元素性质：熔点、原子间结合力，同溶剂原 子间的原子尺寸差、化学亲和力等
熔点越高（原子间结合力越强）扩散 激活能越大扩散系数越小
与溶质原子化学亲和力越高（原子间结 合力越强）扩散激活能越大扩散系数 越小
同溶质原子的尺寸差越小晶格奇变越小 扩散系数越小
元素原子自扩散激活能与元素熔点的关系 Q = k . Tm
元素原子自扩散激活能与元素熔点的关系 Q = k . Tm
驱动力：化学位梯度（浓度梯度）
扩散机制：原子的热激活（Thermal
Activation）
热激活过程
Thermal Activation Process
扩散激活能
固体中原子扩散的条件
• 温度必须足够高：能量起伏、热激 活过程
• 时间足够长：大量原子微观上无规 则跃迁、物质的定向传输
• 扩散原子在溶质中须固溶 • 扩散必须有驱动力（浓度梯度、化