材料科学基础――扩散课件.ppt

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1、第八章扩散Diffusion8.1扩散概述★8.2扩散定律★★8.3扩散系数及影响扩散的因素★★章节内容完全混合部分混合时间加入染料水扩散：由于热运动而导致原子（或分子）在介质中迁移的现象。扩散的定义物质的传输方式气体扩散+对流固体扩散液体扩散+对流金属陶瓷高分子键属金离共子价键键共价键扩散机制不同物质的传输方式扩散的宏观描述宏观描述：从宏观的角度描述扩散流量（单位时间通过单位面积的物质量）和导致扩散流的热力学力之间的关系。再根据物质守恒，导出物质浓度随时间变化的微分方程。目标：建立流量与驱动力的关系；建立成分、位置、时间的关系扩散的微观描

2、述微观描述：主要是描述扩散过程的原子机制，即原子以什么方式从一个平衡位置跳到另一个平衡位置的。这里最重要的参数是这种原子跳动的频率。目标：了解扩散的微观理论和机制是各种相变及转变的微观过程8.1扩散概述8.1.1扩散的分类上坡扩散下坡扩散扩散方向自扩散互扩散有无浓度变化体扩散短路扩散扩散路径原子扩散反应扩散是否产生新相1.置换扩散/换位机制回旋式换位机制8.1.2扩散的微观机制直接换位机制2.间隙扩散在间隙固溶体中溶质原子的扩散是从一个间隙位置跳到近邻的另一间隙位置，发生间隙扩散。间隙机制扩散的微观机制AABBG2G1G→12位置3间隙扩散

3、设在1位置与3位置间隙原子的自由能为G1，2位置处的自由能为G2。则间隙原子由1跃迁至3的能垒为△G＝G2－G1。扩散的微观机制只有那些自由能等于或高于G2的间隙原子才能克服这一能垒而实现跃迁。间隙原子跃迁之前在它的周围必须存在可供其跃迁且未被其他原子占据的间隙位置。G2G13.空位扩散扩散的微观机制1、易位：两个质点直接换位2、环形扩散：同种质点的环状迁移3、准间隙扩散：从间隙位到正常位，正常位质点到间隙4、间隙扩散：质点从一个间隙到另一个间隙5、空位扩散：质点从正常位置移到空位6、间隙原子的挤列机制扩散的微观机制扩散的微观机制8.2扩散

4、定律菲克（AdolfFick）1855年指出，在单位时间内通过垂直扩散方向的某一单位面积截面的物质流量（扩散通量J）与此时的浓度梯度成正比。J——扩散通量，原子数目/m2·s或kg/m2·sx——沿扩散方向的距离，mC——体积浓度，原子数目/m3或kg/m3D——扩散系数，m2/s8.2.1菲克第一定律菲克第一定律的推导1C12C2dxx轴上两单位面积1和2，间距为dx，面上原子浓度为C1、C2则从平面1到平面2上原子数n1=C1dx从平面2到平面1上原子数n2=C2dx若原子平均跳动频率f,dt时间内跳离平面1的原子数为n1f·dt，跳离

5、平面2的原子数为n2fdt沿一个方向只有1/2的几率则单位时间内两者的差值即扩散原子净流量J=（1/2）f（n1-n2）=（1/2）fC1dx-（1/2）fC2dx=f（C1-C2）dx/2=-fdCdx/2令D=（1/2）（dx）2f，则J=-（1/2）（dx）2（dC/dx）=-D（dC/dx）菲克第一定律的推导C=f(x)注意扩散第一方程与经典力学的方程一样，是被大量实验所证实的公理，是扩散理论的基础。浓度梯度一定时，扩散仅取决于扩散系数，扩散系数是描述原子扩散能力的基本物理量。扩散系数并非常数，而与很多因素有关，但是与浓度梯度无关。

6、当dC/dx=0时，J=0，表面在浓度均匀的系统中，尽管原子的微观运动仍在进行，但是不会产生宏观的扩散现象，这一结论仅适合于下坡扩散的情况。在扩散第一定律中没有用给出扩散与时间的关系，故此定了适合于描述dC/dt=0的稳态扩散，即在扩散过程中系统各处的浓度不随时间变化。扩散第一定律不仅适合于固体，也适合于液体和气体中原子的扩散。菲克第一定律的局限第一定律只能解决稳态扩散——扩散过程中合金内部各处的浓度和浓度梯度不随时间改变（dC/dt＝0）绝大多数扩散过程是非稳态扩散，各处浓度梯度随扩散时间不断发生变化，这种情况下第一定律就不能应用了。C1

7、C2菲克第一定律的应用平视方向俯视方向2r1l2r22r22r1l>>r1000C[C]碳原子从内壁渗入，外壁渗出达到平衡时，则为稳态扩散单位面积单位时间的碳流量：J=q/（At）=q/（2πrLt）A：圆筒总面积，r及L：园筒半径及长度，q：时间t内通过圆筒的碳量则J=q/（At）=q/（2πrLt）=-D（dC/dx）=-D（dC/dr）即-D=[q/（2πrLt）]×1/（dC/dr）=[q（dlnr）]/[（2πLt）dC]q可通过炉内脱碳气体的增碳求得，再通过剥层法测出不同r处的碳含量，作出C-lnr曲线可求得D。菲克第一定律的

8、应用菲克第一定律的应用例:设BCCFe薄板加热到1000K，板的一侧与CO/CO2混合气体接触使表面碳的浓度保持在0.2％（质量分数）。另一侧与氧化气氛接触，使碳的浓度维持在0％