1、材料与化工学院材料与化工学院第七章第七章 扩散与固态相变扩散与固态相变7.1 7.1 扩散定律及其应用扩散定律及其应用7.2 7.2 扩散机制扩散机制7.3 7.3 影响扩散的因素与扩散驱动力影响扩散的因素与扩散驱动力7.4 7.4 几个特殊的有关扩散的实际问题几个特殊的有关扩散的实际问题( (自学自学) )7.5 7.5 固态相变中的形核固态相变中的形核7.6 7.6 固态相变的晶体成长固态相变的晶体成长7.7 7.7 扩散型相变扩散型相变7.8 7.8 无扩散相变无扩散相变7.7 7.7 扩散型相变扩散型相变固态相变可分为两大类型固态相变可分为两大类型： 扩散型相变与非扩散型相变扩散型相变
2、与非扩散型相变。扩散型相变扩散型相变是指在形核与是指在形核与长大的各个阶段都需要通过原子的扩散过长大的各个阶段都需要通过原子的扩散过程来实现，原子需要被热激活后克程来实现，原子需要被热激活后克服能垒服能垒障碍才障碍才能进入新相能进入新相。种类种类众多：同素异构转变，珠光体转变、脱溶沉淀等。众多：同素异构转变，珠光体转变、脱溶沉淀等。本课程从固态相变的一般原理，本课程从固态相变的一般原理， 以以过饱和固溶体过饱和固溶体的脱溶沉淀或分解为典型来进行分析。的脱溶沉淀或分解为典型来进行分析。过饱和固溶体过饱和固溶体的分解有两种机制：的分解有两种机制：一种是经典的形核与长大，中间过程形成一种是经典的形核
3、与长大，中间过程形成过渡相过渡相；另一种则是另一种则是调幅分解调幅分解。7.7 7.7 扩散型相变扩散型相变一、一、AlAlCuCu合金的淬火时效合金的淬火时效二、陶瓷材料中的脱溶沉淀反应二、陶瓷材料中的脱溶沉淀反应三、合金中的调幅分解三、合金中的调幅分解四、玻璃中的调幅分解四、玻璃中的调幅分解一、一、AlAlCuCu合金的淬火时合金的淬火时效效 对对AlAlCu4Cu4合金，合金， 当加热到当加热到550550时，所有的铜原子都溶入时，所有的铜原子都溶入固溶体中，这一步骤固溶体中，这一步骤叫做叫做固溶处理固溶处理， 然后然后快速冷却快速冷却下来，得到下来，得到过饱和的过饱和的固溶体固溶体，在
4、在室温室温下长时放置下长时放置( (叫叫自然时效自然时效) )或者在或者在130-150130-150加热一段时间加热一段时间( (叫叫人工时效人工时效) )，则会则会发生相变发生相变( (亚稳相亚稳相) )，并能使铝合金达到最大的并能使铝合金达到最大的强化强化。0 01 1+ +GPGP区区 2 2+ + 3 3+ + 4 4+ +(1) (1) GPGP区区(2)(2)相相薄片状薄片状(3)(3) 相相：正方点阵，成分近似正方点阵，成分近似CuAlCuAl2 2，形核；形核；与基体保持与基体保持。 (4)(4)相相：-CuAl-CuAl2 2为正方点阵，为正方点阵，形核；形核；与基体与基体
5、；。一、一、AlAlCuCu合金的淬火时合金的淬火时效效一、一、AlAlCuCu合金的淬火时效合金的淬火时效二、陶瓷材料中的脱溶沉淀反应二、陶瓷材料中的脱溶沉淀反应二、陶瓷材料中的脱溶沉淀反应二、陶瓷材料中的脱溶沉淀反应三、合金中的调幅分解三、合金中的调幅分解调幅分解，它不是一般的经典形核长大过程，调幅分解，它不是一般的经典形核长大过程，它是具有它是具有特殊相图特殊相图的合金，的合金， 由于由于成分涨落成分涨落所造成的所造成的热力学不稳定性热力学不稳定性而产生的。而产生的。它的特点是不存在它的特点是不存在形核势垒形核势垒，因而，因而分解速度很快分解速度很快， 新相的整个形成过程是连续不断的，新
6、相的整个形成过程是连续不断的， 新旧两相完全新旧两相完全共格共格， 在开始阶段两相点阵连续，没有明显的在开始阶段两相点阵连续，没有明显的界面界面。三、合金中的调幅分解三、合金中的调幅分解混溶间隙：混溶间隙： 1 1+ + 2 2三、合金中的调幅分解三、合金中的调幅分解G(T2)d2G/dx20d2G/dx20d2G/dx2=0S1S2化学自发分解线三、合金中的调幅分解三、合金中的调幅分解由右图可以看出，由右图可以看出， a a、成分为成分为x x0 0的合金从的合金从T Tl l温度温度急冷急冷至至非稳态区非稳态区内内 如上图如上图RKVRKV内的内的T T2 2，或下图或下图S S1 1(
7、(T T2 2, ,x xs1s1) )、S S2 2( (T T2 2, ,x xs2s2) ) 之间之间 ；任何微量的任何微量的成分起伏成分起伏，会使得系统，会使得系统的自由焓下降。的自由焓下降。b b、由于由于成分起伏成分起伏在固溶体中总会在固溶体中总会随机存在，随机存在，这就意味着这就意味着非稳态区非稳态区的固溶体发生的固溶体发生分解，不存在热力学势垒；分解，不存在热力学势垒；三、合金中的调幅分解三、合金中的调幅分解合金中的原子有足够的时间扩散；合金中的原子有足够的时间扩散；使原子使原子A A和和B B分别向富分别向富A A区和富区和富B B区聚集；区聚集；直至分解为成分为直至分解为成
8、分为x x1 1的的1 1和成分为和成分为x x2 2 的的2 2两个平衡相为止。两个平衡相为止。这种扩散称为这种扩散称为上坡扩散上坡扩散。三、合金中的调幅分解三、合金中的调幅分解 调幅分解在调幅分解在形核形核时不需克服时不需克服能垒能垒，长，长大时却需要克服界面能和应变能。大时却需要克服界面能和应变能。 当产生陡的浓度梯度时，原来是当产生陡的浓度梯度时，原来是均匀固均匀固溶体溶体中的原子被大约等同的同类原子和中的原子被大约等同的同类原子和异类原子包围，现在多数是处于同类原异类原子包围，现在多数是处于同类原子的包围中，原子键力改变了，增加了子的包围中，原子键力改变了，增加了界面能，通常称它为界
9、面能，通常称它为梯度能梯度能； 当两相点阵常数差别较大时，会有较大当两相点阵常数差别较大时，会有较大的的共格应变能共格应变能。 所以，归根结底调幅分解能否发生，必所以，归根结底调幅分解能否发生，必须取决于两个条件：须取决于两个条件：1)1)合金成分必须在拐点范围之内；合金成分必须在拐点范围之内；2)2)相变驱动力必须大于梯度能和应变能。相变驱动力必须大于梯度能和应变能。三、合金中的调幅分解三、合金中的调幅分解三、合金中的调幅分解三、合金中的调幅分解(2)(2)调幅材料性能调幅材料性能: :较好的强韧性：较好的强韧性：调幅结构的弥散度非常大，且不会发生位错堆积，一般均有较好的调幅结构的弥散度非常大，且不会发生位错堆积，一般均有较好的强韧性。强韧性。可通过磁场处理改善合金性能：可通过磁场处理改善合金性能：利用调幅结构的延伸方向受应力场和磁场影响的特点，可以通过磁利用调幅结构的延伸方向受应力场和磁场影响的特点，可以通过磁场处理改善合金性能。场处理改善合金性能。制造多微孔石英玻璃制造多微孔石英玻璃. .四、玻璃中的调幅分解四、玻璃中的调幅分解
