《材料科学基础》课程教学资源（PPT课件讲稿）第四章 固体中原子及分子的运动（2/2，4.7-4.9）

4.晶体缺陷晶界、表面和位错等对扩散起着快速通道的作用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。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。沿线缺陷的扩散，位错象一根管道，沿位错扩散激活能低，D可以很高。但位错截面积总分数很少，只在低温时明显多晶材料，扩散物质沿三种途径扩散，即晶内扩散、晶界扩散和表面扩散，一般规律是：QL>QB>QS，所以DS>DB>DL。QL，QS和QB表示晶内、表面和晶界扩散激活能；DL，DS和DB表示晶内、表面和晶界的扩散系数。Cmeg/aol'02

© meg/aol ‘02 4. 晶体缺陷 晶界、表面和位错等对扩散起着快速通道的作用。 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。 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。 沿线缺陷的扩散，位错象一根管道，沿位错扩散激活能低，D 可以很高。但位错截面积总分数很少，只在低温时明显。 多晶材料，扩散物质沿三种途径扩散，即晶内扩散、晶界扩散和表 面扩散，一般规律是：QL＞QB＞QS，所以DS＞DB＞DL。 QL ，QS和QB表示晶内、表面和晶界扩散激活能； DL，DS和DB表示晶内、表面和晶界的扩散系数

DsDgDDb2.02. 41.21.62.80.40.8Ag的自扩散系数Db，晶界扩散系数D.和表面扩散系数DCmeg/aol*02

© meg/aol ‘02 Ag的自扩散系数Db，晶界扩散系数Dg和表面扩散系数Ds

5.化学成分不同金属的自扩散激活能与熔点、熔化潜热、体积膨胀或压缩系数相关，熔点高的金属自扩散激活能大。扩散系数与溶质的浓度有关，扩散原子与溶剂金属原子差别越大，扩散系数越大，差别指原子半径、熔点、固溶度等。表10-4某些元素在银中的扩散系数金Cd履AuSb.AgInSn2.81.16. 6 7.64. 1 8.61000K时的D/10-5cm2·g"1用摩尔分数表示1.001.000.420. 190. 120.05的最大溶解度哥氏半径/nm0.1440.15210.15690.15820. 14160.144101*02

© meg/aol ‘02 5. 化学成分 不同金属的自扩散激活能与熔点、熔化潜热、体积膨胀或压缩系 数相关，熔点高的金属自扩散激活能大。 扩散系数与溶质的浓度有关，扩散原子与溶剂金属原子差别越大 ，扩散系数越大，差别指原子半径、熔点、固溶度等

第三组元可能提高也可能降低二元合金原子扩散速度，或者几乎无作用，特别应注意第三组元引起的上坡扩散。0.60.586%w(Si)=3.80%0.5%/ (0)m0.478%0.441%0.40.315%0.31-1.0-0.500.51.0距离/mm图4.16扩散偶在扩散退火13d后碳的浓度分布Cmeg/aol*02

© meg/aol ‘02 第三组元可能提高也可能降低二元合金原子扩散速度，或者 几乎无作用，特别应注意第三组元引起的上坡扩散

6.应力的作用合金内，存在应力场。应力提供驱动力F，应力升高、F升高。弯曲固溶体合金，点阵常数增大，大原子移至受拉区，点阵常数变小，小原子移向受压区。合金外，施加应力。合金中产生弹性应力梯度，促进原子迁移。较大半径的原子跑向点阵伸长部分，造成固溶体中溶质原子的不均匀分布。Cmeg/aol02

© meg/aol ‘02 6.应力的作用 合金内，存在应力场。应力提供驱动力F，应力升高、F升 高。弯曲固溶体合金，点阵常数增大，大原子移至受拉区， 点阵常数变小，小原子移向受压区。 合金外，施加应力。合金中产生弹性应力梯度，促进原子迁 移。较大半径的原子跑向点阵伸长部分，造成固溶体中溶质 原子的不均匀分布

4.7反应扩散当某种元素通过扩散，自金属表面向内部渗透时，若该扩散元素的含量超过基体金属的溶解度，随着扩散的进行会在金属表层形成中间相（固溶体），称为反应扩散或相变扩散。反应扩散生成的新相与原来的基体相之间存在明显的观察面。反应扩散形成的相可参考平衡相图进行分析例如：纯铁在520C氮化时可由Fe一N相图分析形成新相。特点：在相界面处产生成分突变，突变的浓度正好对应于相图相的极限浓度。Cmeg/aol02

© meg/aol ‘02 4.7反应扩散 当某种元素通过扩散，自金属表面向内部渗透时，若该扩散 元素的含量超过基体金属的溶解度，随着扩散的进行会在金 属表层形成中间相（固溶体），称为反应扩散或相变扩散。 反应扩散生成的新相与原来的基体相之间存在明显的观察面。 反应扩散形成的相可参考平衡相图进行分析。 例如：纯铁在520ºC氮化时可由Fe—N相图分析形成新相。 特点：在相界面处产生成分突变，突变的浓度正好对应于 相图相的极限浓度

反应扩散通过扩散形成新相。900800Fe)Y680±5700h6502.814.55Fea6002.35590°5004504506.1%5.7%4001-5679101483Fe1w(N) /%图4.17Fe-N相图Cmeg/aol*02

© meg/aol ‘02 ⚫ 反应扩散——通过扩散形成新相

4.8离子晶体中的扩散在金属和合金中，原子可以进入邻近的空位和间隙位置。在离子晶体中，扩散离子不能进入相邻异类离子的位置。离子扩散只能依靠空位进行。离子晶体中空位为等量的阳离子和阴离子空位，呈无序分布。离子键的结合能大于金属键，扩散离子需克服的能垒比金属原子大得多，为了保持局部的电中性，必须产生成对的缺陷增加了额外能量，再则扩散离子只能进入具有同样电荷的位置，迁移的距离较长，导致离子扩散速率通常远小于金属原子的扩散速率

4.8离子晶体中的扩散 在金属和合金中，原子可以进入邻近的空位和间隙位置。 在离子晶体中，扩散离子不能进入相邻异类离子的位置。 离子扩散只能依靠空位进行。离子晶体中空位为等量的阳离 子和阴离子空位，呈无序分布。 离子键的结合能大于金属键，扩散离子需克服的能垒比金属 原子大得多，为了保持局部的电中性，必须产生成对的缺陷 增加了额外能量，再则扩散离子只能进入具有同样电荷的位 置，迁移的距离较长，导致离子扩散速率通常远小于金属原 子的扩散速率

4.9高分子的分子运动高分子链中的原子之间、链节之间是强的共价键结合，为分子链的主价力。分子链之间是弱的范德华力和氢键，为次价力，约为主价力的1%～10%。但因为分子链特别长，故总的次价力常常超过主价力。由于高分子的结构与金属或陶瓷的结构不同，影响高分子力学行为是分子运动，而不像金属或陶瓷中的原子或离子运动

4.9高分子的分子运动 高分子链中的原子之间、链节之间是强的共价键结合，为分 子链的主价力。分子链之间是弱的范德华力和氢键，为次价 力，约为主价力的1％～10％。但因为分子链特别长，故总 的次价力常常超过主价力。 由于高分子的结构与金属或陶瓷的结构不同，影响高分子力 学行为是分子运动，而不像金属或陶瓷中的原子或离子运动