论扩散过程的影响因素及控制技术

二、影响扩散过程的因素

温度和压力 材料的结构 组元特性和化学成分 结构缺陷
扩散是一个基本的动力学过程，对材料制备、加 工中的性能变化及显微结构形成以及材料使用过 程中性能衰减起着决定性的作用，对相应过程的 控制，往往从影响扩散速度的因素入手来控制。
温度是扩散过程的重要影响因素：


对于固体扩散，固体中的粒子迁移必须克服一定的势 垒△Gm，原子跳动频率对温度T十分敏感，T越高原 子平均动能越大，能跳入临近间隙位置的几率增大， 因此高的温度有助于扩散进行。 扩散系数是决定扩散速度的重要参量：
Q D D0 exp( ) RT
从数学关系上看，扩散系数主要决定于温度，显于 函数关系中，其他一些因素则隐含于D0和Q中。
固体中的粒子迁移必须克服一定的势垒。
△G 称为扩散活化能。其大小除了与温度有关外，还 取决于粒子在晶体中的境遇和粒子的迁移方式。
晶体中粒子迁移的方式，即扩散机制，有五种：
(a)易位扩散
(b)环形扩散 (c)间隙扩散 (d)准间隙扩散 (e)空位扩散
上述粒子扩散完全是由热振动引起的无序的、向任意 方向的迁移。要形成定向的扩散，必须ຫໍສະໝຸດ Baidu推动力，而 推动力一般就是浓度梯度。
三、扩散过程的控制技术
利用杂质对扩散的影响是人们改善扩散的主要途 径。一般而言，高价阳离子的引入可造成晶格中出 现阳离子空位和造成晶格畸变，从而使阳离子扩散 系数增大。且当杂质含量增加，非本征扩散与本征 扩散温度转折点升高。 反之，若杂质原子与结构中部分空位发生缔合， 往往会使结构中总空位增加而有利于扩散。
组元特性和化学成分的影响
原子之间的结合键力越强，通常对应材料的熔点也越高， 激活能较大，扩散系数较小。材料的成分不同，即组成材料 的元素和比例不同，不同原子之间结合键能不一样，成分的 变化也影响不同类型结合键的相对数量，所以材料的成分变 化带来的影响有： （1）结合键能的不同，一种元素的数量(成分比例)可能改 变自己或其他元素的化学位，从而影响扩散的速度，甚至方 向； （2）空位扩散(置换原子)通量决定于互扩散系数，互扩散 系数本身就是各组元成分的函数。
论扩散过程的影响因 素及控制技术
组员：罗来雁 汪子亦 张亚丹
一、固体扩散机构

扩散——固体物质中由于存在某些物性的不均匀 所引起的原子、离子或空位的迁移运动。 不均匀性：浓度梯度、化学势梯度、温度梯度。 化学扩散：它是由于扩散物质在晶体中分布不 均，在化学浓度梯度的推动下产生的扩散。 自扩散：在没有化学浓度梯度下，仅由热振动而 产生扩散。
材料的结构对扩散系数有很大的影响


一般来说，在密堆结构中扩散比在较开放的结构中扩散慢。 对于形成固溶体系统，则固溶体结构类型对扩散有着显著 影响。例如，间隙型固溶体比置换型容易扩散。

扩散相与扩散介质性质差异越大，扩散系数也越大。这是 因为当扩散介质原子附近的应力场发生畸变时，就较易形 成空位和降低扩散活化能而有利于扩散。
结构缺陷的影响
实验表明，在金属材料和离子晶体中，原子或 离子在晶界上扩散远比在晶粒内部扩散来得快。 沿面缺陷的扩散原子规则排列受破坏，产生畸变， 能量高，所需扩散激活能低。
低温下明显，高温下 空位浓度多，晶界扩 散被晶内扩散掩盖。
点缺陷：主要影响扩散的空位浓度。 线缺陷：线缺陷主要形式是位错，位错线附近 的溶质原子的浓度高于平均值；位错象一根管道， 沿位错扩散激活能很低，D可以很高，原子在位 错中沿位错线的管道扩散比晶体中的扩散快。但 位错截面积总分数很少，只在低温时明显，如低 温时过饱和固溶体分解时沉淀相在位错形核。 面缺陷：本身所处于较高的能量状态，相应扩 散激活能也就较低。