第7章 固体材料中的扩散 |
7.3 扩散系数(3) 2. 固溶体类型 不同类型的固溶体中,原子的扩散机制是不同的。以间隙机制扩散的间隙原子近邻一般都存在间隙空位,而以空位机制扩散的原子必须等待邻近空位的形成,因此间隙固溶体间隙原子的扩散激活能要比置换固溶体中置换原子的扩散激活能小得多(参见表7-3),扩散速度也快得多。 3. 晶体结构 在温度及成分一定的条件下任一原子在密堆点阵中的扩散要比在非密堆点阵中的扩散慢。这是由于密堆点阵的致密度比非密堆点阵的大引起的。这个规律对待溶剂和溶质都适用,对置换原子和间隙原子也都适用。如纯铁在912℃会发生同素异构转变 。在910℃,碳在 -Fe(体心立方)中的扩散系数约为碳在 -Fe中(面心立方)中的100倍。工业上渗碳都是在 -Fe中进行主要是因为在 -Fe中碳的最大溶解度为2.11%而碳在 -Fe中的最大溶解度仅为0.02%,在 -Fe 中可以获得更大的碳浓度梯度。另外一个重要原因是 -Fe区的温度更高。这样尽管碳912℃时在 -Fe中的扩散系数更大,在 -Fe中渗碳仍可以获得更快得多的速度。 晶体结构对扩散的影响还表现在一些对称性差的单晶中扩散系数的各向异性。扩散系数的各向异性在立方晶体中几乎不出现;但在铋(菱方晶系)中测量的结果表明,平行与C轴与垂直与C轴的自扩散系数比值约为一千。 4. 浓度 扩散系数是随浓度而变化的,有些扩散系统如金-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。碳在927℃的 -Fe中的扩散系数也随碳浓度而变化,只不过这种变化不是很显著。实际上对于稀固溶体或在小浓度范围内的扩散,将 假定与浓度无关引起的误差不大。在实际生产中为数学处理简便,我们常假定 与浓度无关。 5. 第三组元的影响 在二元合金中加入第三元素时,扩散系数也会发生变化。某些合金元素对碳在 -Fe中的扩散的影响如图7-14所示。从图中可见第三元素的影响可分为三种情况: 1) 强碳化物形成元素如W, Mo, Cr等,由于它们与碳的亲和力较大,能强烈阻止碳的扩散,降低碳的扩散系数。如加入3%Mo或1%W会使碳在 -Fe中的扩散速率减少一半。 2) 不能形成稳定碳化物,但易溶解于碳化物中的元素,如Mn等,它们对碳的扩散影响不大。 3) 不形成碳化物而溶于固溶体中的元素对碳的扩散的影响各不相同。如加入4%Co能使碳在 -Fe中的扩散速率增加一倍,而Si则降低碳的扩散系数。 6. 晶体缺陷的影响 实际晶体中还存在着界面、位错等晶体缺陷,扩散也可以沿着这些晶体缺陷进行。 晶体中原子在表面﹑晶面﹑位错处的扩散速度比原子在晶内扩散的速度要快,因此称原子在表面﹑晶面﹑位错处的扩散为短路扩散。不难理解,在晶界及表面点阵畸变较大,原子处于较高能状态,易于跳动,而且这些地方原子排列不规则,比较开阔,原子运动的阻力比较小,因而扩散速度快。位错是一种线缺陷,可作为原子快速扩散的通道,因而扩散速度很快。 由于表面﹑晶界﹑位错占的体积份额很小,所以只有在低温时(晶内扩散十分困难)或晶粒非常细小时,短路扩散的作用才能起显著作用。 (本节完) |
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