扩散的影响因素在线视频

同学们

这节课我们学习扩散的影响因素

通过前面的学习

我们得到了扩散系数和扩散常数

扩散激活能以及温度的关系式

也就是阿伦尼乌斯公式

通过这样一个公式

我们发现扩散系数首先取决于

扩散常数扩散激活能和温度

所以我们首先看一下影响扩散的因素

第一个是温度的影响

通过阿伦尼乌斯公式

我们可以发现温度升高

扩散系数增大

温度升高

原子的热运动加剧

扩散系数很快的提高

扩散激活能取决于扩散机理

我们前面说的是间隙扩散还是空位扩散

我们以碳在γ铁中的扩散系数为例

可以看到在1027度的时候碳的扩散系数

约等于三倍的碳在927度时候的扩散系数

可以发现温度对于扩散系数的影响

第二是扩散组元的影响

首先组元特性

固溶体中的组元尺寸相差越大

扩散激活能越小 扩散系数越大

对于间隙固溶体而言

我们这有一些例子

比如说氢 硼 碳 氮 氧

在铁中的扩散系数

可以发现元素与原子尺寸越小

扩散系数越大

对于置换固溶体而言

如镍 钼 钨 锰在铁中的扩散

相对于间隙固溶体

它的扩散系数要小得多

组元间亲和力越强

也就是电负性差越大

扩散系数越小 溶解度越小

扩散越容易 扩散系数越大

熔点 融化热 升华热越高或者体膨胀系数

体压缩系数越小

扩散激活能越大

扩散系数越小

还有一点

在以一价贵金属为溶剂的合金中

若溶质元素的原子价越大

或者原子序数越大

那么扩散系数越大

第二个是组元浓度的影响

溶质浓度对于扩散系数的影响

是通过影响它的扩散激活能和扩散常数

这两个参数共同作用的

通常是扩散激活能值增大

扩散系数也增大

扩散激活能值减小

扩散系数值也减小

这个是溶质阻元浓度

对于扩散系数的影响

我们可以看到有的随着组元浓度的增加

扩散系数增加

也有的随着组元浓度的增加

分扩散系数和互扩散系数都降低

所以影响规律是不一定的

第三组元的影响

我们说是一言难尽

有的第三组元促进扩散

有的第三组元阻碍扩散

它的主要原因可能是通过改变碳的活度

引起点阵畸变

通过改变碳的迁移率

从而改变扩散激活能

通过细化晶粒增加了短路扩散的路径

通过改变空位浓度

改变了杂质临近原子的跳跃几率等

所以第三组员对于扩散的影响

有的会促进扩散

有的会阻碍扩散

比如说我们在上坡扩散中讲到的

硅对于碳在钢中的扩散的影响

那么硅元素的加入可以增加碳的活度

从而增加碳的化学位

为碳元素的扩散提供了这样一个驱动力

第三点

晶体结构也会影响我们的扩散

密堆结构中的扩散比非密堆结构中的扩散要慢

比如说碳在α铁中

在800度时候的扩散系数和碳在γ铁中

在1100度时候的扩散系数相当

第二点

间隙式固溶体中的扩散

比置换式固溶体中的扩散要快

那么对于各向异性的材料而言

沿原子密排的方向扩散慢

非密排的方向扩散快

我们可以看这样一个图

铁在912度的时候

发生了γ铁到α铁的同素异构转变

γ铁与α铁的自扩散系数

相差大概280倍

看在γ铁中与α铁中的间隙扩散系数

也相差了大概100倍

那么同学们下来思考一下

我们假定转变前后原子的半径不变

那么我们计算一下

铁由γ铁变成α铁的体积变化

可以通过这样一个体积变化说明什么问题

固溶体的类型也显著的影响扩散系数

对于间隙机制扩散的间隙原子

近临并不缺乏间隙空位

而空位机制扩散的原子

必须等待临近的空位形成

所以间隙原子的扩散激活能要小得多

由于晶体点阵中的

间隙原子的排列的晶体学位向不同

扩散也会不同

对于对称性较高的立方系的扩散

各向异性不明显

而对于具有密排六方结构的一些材料而言

垂直于地面上的自扩散系数

和平行于基面上的自扩散系数往往差别比较大

第四

扩散路径也会影响我们的扩散

比如说短路扩散

也就是说在多晶体中物质沿着表面

界面位错等缺陷部位进行的扩散

温度较低的时候

这样一些短路扩散会起主要作用

温度较高的时候

体扩散也就是说沿着晶粒内部进行的扩散

才会起主要作用

所以对于扩散系数而言

表面扩散大于晶界扩散大于体扩散

随着颗粒的细化

比如说尺寸到纳米尺度

那么晶界的影响将会变得非常大

第五点

晶体的结合类型也会影响我们的扩散系数

对于金属晶体而言

它的扩散呢以空位机制为主

对于不同的金属

熔点越高 扩散需要的自由能越大

那么扩散系数越小

也有例外

当间隙原子相对格位原子小到一定程度

或者是晶格结构比较开放的时候

间隙扩散的机制占了主要地位

比如说碳 氮 氧

在多数金属中它是间隙扩散

它的特点呢是扩散速度快 间隙很多

对于离子晶体的扩散主要有两种机制

一种是空位机制

对于大部分离子晶体而言

比如说氧化镁 氯化钠等

还有一种少数开放型的晶体中

也以间隙机制为主

比如说我们在玻璃制备的过程中

会加入氟化钙

氟化钙一个作用是能够降低熔点

降低烧结温度

还有一个作用

它可以起到澄清剂的作用

主要是由于氟离子属于间隙扩散

它的扩散速度会比较快

对于共价晶体而言

它属于开放型的晶体

空隙很大

由于它的化学键的方向性和饱和性

决定了它的机制是空位扩散

比如说金刚石

间隙位置的尺寸约等于原子的尺寸

所以它很难发生间隙扩散

主要以空位扩散为主

扩散系数非常小

所以我们说共价键的方向性和饱和性

对空位的迁移有强烈的影响

那么第六点

晶体缺陷也会影响我们的扩散

事实上很多情况下

扩散都是借助或者通过晶体的缺陷而进行的

晶体的缺陷

比如说有点缺陷 面缺陷

线缺陷都会影响扩散

空位是置换扩散的主要的机制

位错对于扩散的影响

在某一些方面和晶界相似

可以近似的将位错看成加速扩散的通道

它可以影响在扩散物质

浓度较低时候的这样一个扩散速度

冷变形可以使金属中的位错密度增加

从而加速扩散

我们还需要注意的是

位错和空位都可以促进置换扩散

但是间隙溶质原子

落入位错中心或者空位中心的时候

会减小局部畸变

降低体系自由能

间隙原子要脱离这些经体缺陷

发生扩散所需要的能量就会增加

所以这个时候晶体缺陷

会对扩散起到阻碍的作用

还有我们前面说到

一般的非密排结构的晶体

比密排结构的晶体具有更高的扩散系数

对于静态化合物中的扩散

根据统计热力学

处于热力学平衡状态的晶体内部

总是存在着一定数量的点缺陷

我们把这样一类缺陷呢叫做本征缺陷

以本征缺陷为媒介发生的扩散

我们称为本征扩散

静态化合物中只有在晶体很纯

而且温度很高的情况下

才会发生本征扩散

在很多情况下观察到的是受非本征缺陷

也就是说非平衡缺陷控制的非本征扩散

对于许多卤化物 氧化物等

离子化合物的扩散系数和离子电导

在某一温度都会发生突变

我们通过这样一个图可以看到

在某一个温度发生了突变

主要是反映了

在高于或者低于这一温度的时候

两种不同的扩散机制

也就我们前面说的本征扩散和非本征扩散

本征扩散主要在高温区以热缺陷控制的扩散

非本征扩散主要是低温区以杂质控制的扩散

显然非本征扩散具有较低的扩散激活能

任何导致非本身缺陷浓度增大的因素

都会使得本征扩散与非本征扩散的转折点

向高温方向移动

通常非本征缺陷的浓度

要大大高于我们的本征缺陷

好

以上就是我们这节课的内容

谢谢大家