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第7章 固體材料中的擴(kuò)散 |
| 7.3 擴(kuò)散系數(shù)(3) 2. 固溶體類型 不同類型的固溶體中，原子的擴(kuò)散機(jī)制是不同的。以間隙機(jī)制擴(kuò)散的間隙原子近鄰一般都存在間隙空位，而以空位機(jī)制擴(kuò)散的原子必須等待鄰近空位的形成，因此間隙固溶體間隙原子的擴(kuò)散激活能要比置換固溶體中置換原子的擴(kuò)散激活能小得多（參見表7-3），擴(kuò)散速度也快得多。 3. 晶體結(jié)構(gòu) 在溫度及成分一定的條件下任一原子在密堆點(diǎn)陣中的擴(kuò)散要比在非密堆點(diǎn)陣中的擴(kuò)散慢。這是由于密堆點(diǎn)陣的致密度比非密堆點(diǎn)陣的大引起的。這個(gè)規(guī)律對待溶劑和溶質(zhì)都適用，對置換原子和間隙原子也都適用。如純鐵在912℃會發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 。在910℃，碳在 -Fe（體心立方）中的擴(kuò)散系數(shù)約為碳在 -Fe中（面心立方）中的100倍。工業(yè)上滲碳都是在 -Fe中進(jìn)行主要是因?yàn)樵?-Fe中碳的最大溶解度為2.11%而碳在 -Fe中的最大溶解度僅為0.02%，在 -Fe 中可以獲得更大的碳濃度梯度。另外一個(gè)重要原因是 -Fe區(qū)的溫度更高。這樣盡管碳912℃時(shí)在 -Fe中的擴(kuò)散系數(shù)更大，在 -Fe中滲碳仍可以獲得更快得多的速度。 晶體結(jié)構(gòu)對擴(kuò)散的影響還表現(xiàn)在一些對稱性差的單晶中擴(kuò)散系數(shù)的各向異性。擴(kuò)散系數(shù)的各向異性在立方晶體中幾乎不出現(xiàn)；但在鉍（菱方晶系）中測量的結(jié)果表明，平行與C軸與垂直與C軸的自擴(kuò)散系數(shù)比值約為一千。 4. 濃度 擴(kuò)散系數(shù)是隨濃度而變化的，有些擴(kuò)散系統(tǒng)如金-鎳系統(tǒng)中濃度的變化使鎳和金的自擴(kuò)散系數(shù)發(fā)生顯著地變化。碳在927℃的 -Fe中的擴(kuò)散系數(shù)也隨碳濃度而變化，只不過這種變化不是很顯著。實(shí)際上對于稀固溶體或在小濃度范圍內(nèi)的擴(kuò)散，將 假定與濃度無關(guān)引起的誤差不大。在實(shí)際生產(chǎn)中為數(shù)學(xué)處理簡便，我們常假定 與濃度無關(guān)。 5. 第三組元的影響 在二元合金中加入第三元素時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)也會發(fā)生變化。某些合金元素對碳在 -Fe中的擴(kuò)散的影響如圖7-14所示。從圖中可見第三元素的影響可分為三種情況： 1) 強(qiáng)碳化物形成元素如W, Mo, Cr等，由于它們與碳的親和力較大，能強(qiáng)烈阻止碳的擴(kuò)散，降低碳的擴(kuò)散系數(shù)。如加入3%Mo或1%W會使碳在 -Fe中的擴(kuò)散速率減少一半。 2) 不能形成穩(wěn)定碳化物，但易溶解于碳化物中的元素，如Mn等，它們對碳的擴(kuò)散影響不大。 3) 不形成碳化物而溶于固溶體中的元素對碳的擴(kuò)散的影響各不相同。如加入4%Co能使碳在 -Fe中的擴(kuò)散速率增加一倍，而Si則降低碳的擴(kuò)散系數(shù)。 6. 晶體缺陷的影響 實(shí)際晶體中還存在著界面、位錯(cuò)等晶體缺陷，擴(kuò)散也可以沿著這些晶體缺陷進(jìn)行。 晶體中原子在表面﹑晶面﹑位錯(cuò)處的擴(kuò)散速度比原子在晶內(nèi)擴(kuò)散的速度要快，因此稱原子在表面﹑晶面﹑位錯(cuò)處的擴(kuò)散為短路擴(kuò)散。不難理解，在晶界及表面點(diǎn)陣畸變較大，原子處于較高能狀態(tài)，易于跳動(dòng)，而且這些地方原子排列不規(guī)則，比較開闊，原子運(yùn)動(dòng)的阻力比較小，因而擴(kuò)散速度快。位錯(cuò)是一種線缺陷，可作為原子快速擴(kuò)散的通道，因而擴(kuò)散速度很快。 由于表面﹑晶界﹑位錯(cuò)占的體積份額很小，所以只有在低溫時(shí)（晶內(nèi)擴(kuò)散十分困難）或晶粒非常細(xì)小時(shí)，短路擴(kuò)散的作用才能起顯著作用。 （本節(jié)完） |
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