材料科学基础06-固体中的扩散.ppt

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1、固体中的扩散第一节概论第二节扩散动力学方程第三节扩散系数第四节影响扩散系数的因素本章内容掌握一些基本概念：扩散定律、扩散系数，稳态扩散，非稳态扩散固态中原子扩散的条件扩散第一、第二定律的内容、适应条件、解及应用扩散系数及其影响因素，扩散驱动力固相中原子扩散的各种机制扩散的分类概论扩散现象：气体在空气（气体）中的扩散气体在液体介质中的扩散液体在液体中的扩散固体在液体中的扩散固体内的扩散：气体、液体、固体在固体中的扩散当物质内有梯度（化学位、浓度、应力梯度等）存在时，由于物质的热运动而导致质点的定向迁移过程。扩散是一种传质过程扩散的本质是

2、质点的热运动扩散的概念：扩散系统：扩散物质、扩散介质1.概论原子或分子的迁移现象称为扩散。金属的真空冶炼、材料的提纯、铸件的凝固和成分均匀化、变形金属的回复再结晶、相变、化学热处理、粉末冶金或陶瓷材料的烧结等都受扩散影响。扩散是物质内质点运动的基本方式，当T>0K时，任何物质内的质点都在做热运动。当物质内有梯度（化学位、浓度、应力等）存在时，质点会定向迁移即所谓的扩散。概论扩散是一种传质过程，宏观上表现出物质的定向迁移。它是一个不可逆过程，也是体系熵增过程。对于气体和液体，物质的传递除扩散外还可通过对流等方式进行。在固体中扩散是物质传

3、递的唯一方式。扩散的本质是质点的无规则运动。化学位梯度、浓度梯度正扩散（顺扩散）：高浓度→低浓度负扩散（逆扩散）：低浓度→高浓度扩散推动力例：（1）玻璃分相（2）晶界内吸附（3）固溶体内某些元素的偏聚扩散的基本特点不同物态下质点的迁移方式气（液）体中：对流、扩散固体中：扩散固体中原子的迁移方式大量原子集体协同运动：滑移、马氏体相变无规则热运动：包括热振动和跳跃迁移图1扩散质点的无规则行走轨迹质点间相互作用强，需要克服一定的势垒；扩散开始温度较高，一般在熔点以下即开始扩散；质点的迁移方向和大小受到限制，与晶格常数有关；扩散较气、液缓慢。

4、固体中扩散的特点：液体的扩散示意图固体扩散示意图1概述1扩散的现象与本质（1）扩散：热激活的原子通过自身的热振动克服束缚而迁移它处的过程。（2）现象：柯肯达尔效应（kirkendalleffect）。（3）本质：原子无序跃迁的统计结果。（不是原子的定向移动）。在两种原子尺寸的差异不是Mo丝移动的主要原因，这只能是在退火时，因Cu，Zn两种原子的扩散速率不同，导致了由黄铜中扩散出的Zn的通量大于铜原子扩散进入的通量。这种不等量扩散导致Mo丝移动的现象称为KirkendallEffect（柯肯达尔效应）。扩散的条件温度（T）要足够高。只有

5、T足够高，才能使原子具有足够的激活能，足以克服周围原子的束缚而发生迁移。如Fe原子在500℃以上才能有效扩散，而C原子在100℃以上才能在Fe中扩散.时间(t)要足够长。扩散原子在晶格中每一次最多迁移0.3～0.5nm的距离，要扩散1㎜的距离，必须迁移近亿次。扩散原子要能固溶。扩散原子在基体金属中必须有一定的固溶度,能溶入基体组元晶格,形成固溶体,才能进行固态扩散。扩散要有驱动力。化学位梯度。实际发生的定向扩散过程都是在扩散驱动力作用下进行的.扩散的分类（1）根据有无浓度变化自扩散：原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散。(如纯金属或

6、固溶体的晶粒长大-无浓度变化。)互扩散：原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散。（有浓度变化）（2）根据扩散方向下坡扩散：原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。上坡扩散：原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散。（3）根据是否出现新相原子扩散：扩散过程中不出现新相。反应扩散：由之导致形成一种新相的扩散。AdolfFickIn1855,heintroduced“Fick’sLawofDiffusion”whichdescribedthedispersalofgasasitpassesthroughafluidmembrane.Anastigm

7、atisminhiseyesledFicktoexploretheideaofacontactlens,whichhesuccessfullycreatedin1887.Hisotherresearchresultedinthedevelopmentofatechniquetomeasurecardiacoutput.AdolfFick’sworkservedasavitalprecursorinthestudiesofbiophysics,cardiology,criticalcaremedicine,andvision.Adolf

8、Fick,aGermanphysiologistandinventor,wasbornonAugust3rd,1829,inKassel,Germany.菲克第一定律1858年，菲克（Fick）参照了傅里叶（Fourie