材料科学基础-第四章 晶态固体中的扩散课件.ppt

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1、重点内容：1、固体中质点扩散的特点和扩散动力学方程：扩散第一、第二定律、扩散方程的求解；2、扩散驱动力及扩散机制：间隙扩散、置换扩散、空位扩散；3、扩散系数、扩散激活能、影响扩散的因素。第四章晶态固体中的扩散扩散(diffusion)：原子或分子的迁移现象称为扩散。扩散的本质是原子依靠热运动从一个位置迁移到另一个位置。物质的迁移可通过对流和扩散两种方式进行。气、液体中物质的迁移一般是通过对流和扩散来实现的。固体中不发生对流，扩散是唯一的物质迁移方式。其原子或分子由于热运动不断地从一个位置迁移到另一个位置。wateraddingdyep

2、artialmixinghomogenizationtime扩散现象:原子或离子迁移的微观过程以及由此引起的宏观现象。半导体掺杂固溶体的形成离子晶体的导电固相反应相变烧结材料表面处理扩散材料科学与工程中许多现象——烧结、氧化、蠕变、沉淀、化学热处理以及许多相变过程都与扩散密切相关。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

3、：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。（4）按原子的扩散方向分：体扩散：在晶粒内部进行的扩散；表面扩散：在表面进行的扩散称为；晶界扩散：沿晶界进行的扩散称为。表面扩散和晶界扩散的扩散速度比体扩散要快得多，一般称前两种情况为短路扩散。还有沿位错线的扩散，沿层错面的扩散等。一、菲克第一定律当固体中存在着成分差异是时，原子将从浓度高处向浓度低处扩散，如何描述原子的迁移速率，阿道夫·菲克（A.Fick)在1885年得出定律。第一节扩散的宏观规律式中：J

4、：扩散通量，表示单位时间内通过垂直于扩散方向x的单位面积的扩散物质流量,单位为kg/m2·s；D：扩散系数，单位为m2/s，C：扩散物质的质量浓度，单位为kg/m2。负号表明物质的扩散方向与质量浓度梯度方向相反，即表示物质从高的质量浓度区向低的质量浓度区方向迁移。菲克第一定律：扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比。（4.1）菲克第一定律可直接描述了稳态扩散，即质量浓度不随时间而变化。假设D与浓度无关。例1利用一薄膜从气流中分离氢气。在稳定状态时，薄膜一侧的氢浓度为0.025mol/m3,另一侧的氢浓度为0.0025mol/m3，并且薄

5、膜的厚度为100μm。假设氢通过薄膜的扩散通量为2.25×10-6mol/（m2s），求氢的扩散系数。xH2c1c2二、菲克第二定律大多数扩散过程是非稳态扩散，即在扩散过程中任一点的浓度随时间而变化（dc/dt≠0）。解决这类扩散问题，可由第一定律结合质量守恒条件，推导出菲克第二定律来处理。如图表示在垂至于物质运动的方向x上，取一个截面积均为A,长度为dx的体积元，设流入及流出此体积元的扩散物质通量J1和J2，由质量平衡可得：流入速率－流出速率＝积存速率故物质的积存速率为该积存速率也可用体积元中扩散物质质量浓度随时间的变化率表示，因此

6、可得将菲克第一定律代入上式，可得该方程为菲克第二定律定律。如果假定D与浓度无关，则上式可简化为（4.2）（4.3）菲克第二定律表达了扩散元素浓度与时间及位置的一般关系。三维表达式为：三、扩散方程的解对于非稳态扩散，则需对菲克第二定律按所研究问题的初始条件和边界条件求解。常用的扩散第二方程的解有：高斯解误差函数解正弦解1.高斯解把总量为M的扩散元素沉积成非常薄的薄层，夹在两个厚度为“无限”的全同试样之间进行扩散，近似取沉积层的厚度为零，则方程（4.2）的初始条件t＝0时x＝0C=∞x≠0C=0边界条件t≥0时x＝±∞C=0其解

7、为:（4.4）若沉积物是置于试样表面的薄层，只向x﹥0处扩散，则其解应为适用于薄膜材料的扩散问题。（4.5）2.误差函数解在t时间内，试样表面扩散组元i的浓度Cs被维持为常数，试样中i组元的原始浓度为Co，则方程（4.2）的初始条件t＝0时x﹥0C=Co边界条件t≥0时x＝0C=Csx＝∞C=Co其解为适用于半无限长物体扩散问题。（4.6）式中称为误差函数，与给定β值相对应的误差函数值可由表4－1查得。把扩散组元浓度分别为C1、C2的两块“无限”大的试样对接在一起，构成扩散偶进行扩散，称无限长物体的扩散问题。则方程（4.2）

8、的初始条件t＝0时x﹥0C=C1x﹤0C=C2边界条件t≥0时x＝∞C=C1x＝-∞C=C2其解为（4.7）低碳钢高温奥氏体渗碳是提高钢表面性能和降低生产成本的重要工艺。此时，原始碳质量浓度为C0的渗碳零件可被视