第七章固体中的扩散讲课演示文稿教材ppt课件.ppt

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1、第七章扩散扩散的定义:是由于大量原子的热运动引起的物质的宏观迁移扩散的意义:是晶体中发生物质输运的基础.如离子晶体的导电、固溶体形成、相变、固相反应、烧结、陶瓷材料的封接和耐火材料的侵蚀性等.主要内容：扩散现象的宏观规律——菲克第一、第二定律，描述扩散物质的浓度分布与距离、时间的关系，扩散微观机制，即扩散过程中原子迁移的方式，扩散系数，影响扩散系数的因素。重点：重点为菲克第一定律，菲克第二定律，扩散的微观机构，扩散系数。难点：菲克第一定律求解稳态扩散问题和用菲克第二定律求解非稳态扩散问题。7-1晶体中扩散的

2、基本特点和扩散方式一、基本特点流体中扩散图8-1扩散质点的无规行走轨迹特点:1质点迁移方向的随机性2质点迁移自由行程大小的不确定性7-1晶体中扩散的基本特点和扩散方式一、基本特点固体中扩散:图8-2粒子跳跃势垒示意图特点1:构成固体的所有质点均束缚在三维周期性势阱中,质点与质点的相互作用比较强。故质点的每一步迁移必须从热涨落中获取足够的能量以克服势阱的能量。因此固体中明显的质点扩散常开始于较高的温度，但实际上又往往低于固体的熔点。7-1晶体中扩散的基本特点和扩散方式一、基本特点固体中扩散:图8-3间隙原子扩

3、散势场示意图特点2:晶体中原子或离子排列对称性和周期性限制着质点每一步迁移的方向和自由行程，晶体中质点扩散往往具有各向异性，其扩散速度也远低于流体中的情况。7.2扩散动力学方程——菲克定律一、基本概念1.扩散通量扩散通量——单位时间内通过单位横截面的粒子数。用J表示，为矢量（因为扩散流具有方向性）量纲：粒子数/（时间.长度2）单位：粒子数/（s.m2）2.稳定扩散和不稳定扩散1）稳定扩散稳定扩散是指在垂直扩散方向的任一平面上，单位时间内通过该平面单位面积的粒子数一定，即任一点的浓度不随时间而变化。2）不稳定

4、扩散不稳定扩散是指扩散物质在扩散介质中浓度随时间发生变化。扩散通量与位置有关。二、菲克第一定律1858年，菲克（Fick）参照了傅里叶（Fourier）于1822年建立的导热方程，获得了描述物质从高浓度区向低浓度区迁移的定量公式。假设有一单相固溶体，横截面积为A，浓度C不均匀，在dt时间内，沿方向通过处截面所迁移的物质的量与处的浓度梯度成正比：图8－5扩散过程中溶质原子的分布由扩散通量的定义，有（1）上式即菲克第一定律（一维）式中J称为扩散通量常用单位是g/(cm2.s)或mol/(cm2.s)；D

5、是同一时刻沿轴的浓度梯度；是比例系数，称为扩散系数。负号表示扩散为逆浓度梯度进行三、菲克第二定律当扩散处于非稳态，即各点的浓度随时间而改变时，利用式（1）不容易求出。但通常的扩散过程大都是非稳态扩散，为便于求出，还要从物质的平衡关系着手，建立第二个微分方程式。1）  一维扩散如图3所示，在扩散方向上取体积元和分别表示流入体积元及从体积元流出的扩散通量，则在Δt时间内，体积元中扩散物质的积累量为图8－6扩散流通过微小体积的情况第一种情况是在整个扩散过程中扩散质点在晶体表面的浓度C0保持不变；－－－恒定源扩散第

6、二种情况是一定量的扩散物质Q由表面向内部扩散－－－恒定量扩散第一种情况－－恒定源扩散余误差函数[例8-4]钢铁的渗碳问题某种低碳铁或钢处于甲烷CH4与CO混合气中，在950℃左右保温。：渗碳的目的是要使铁的表面形成一层高碳层，即表面含碳量高于0.25%wt，以便进一步作热处理。碳在铁中的溶解度约为1%wt，因此在铁的表面，混合气体中的碳含量C0保持为1%wt，已知在950℃时，在铁中的碳扩散系数查表得：扩散处理的时间约为3h（104s）可以计算出含碳量高于0.25%wt时碳在铁表面渗透的深度x：误差函数

7、值表Z00.10.20.30.4erfZ00.1124630.2227030.3286270.428392Z0.50.60.70.80.9erfZ0.5205000.6038560.6778010.7421010.796908Z1.01.11.21.31.4erfZ0.8427010.8802050.9103140.9340080.952285第二种恒定量扩散边界条件：图6-6定量扩散质Q由晶体表面（x=0）向内部扩散过程[例8-5]扩散系数的测定将放射性的Au*涂覆在两根金棒之间，然后将它们加热到920℃

8、，保温100h。-2.8181x10-80.069x10-4-1.2736x10-80.286x10-4-0.3289x10-80.723x10-40010lncx2Cx(m)斜率第二节扩散的推动力、微观机制和扩散系数一、扩散的推动力当不存在外场时，晶体中粒子的迁移完全是由于热振动引起的。只有在外场作用下，这种粒子的迁移才能形成定向的扩散流。也就是说，形成定向扩散流必需要有推动力，这种推动力通常是由浓度梯度提供