材料科学导论-第六章 扩散剖析ppt课件.ppt

《材料科学导论-第六章 扩散剖析ppt课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、§6.1固体中的扩散系数§6.2固体中的原子扩散§6.3扩散过程在生产中的应用第六章扩散第六章扩散在金属和合金的晶体中：原子原子位置转移热运动原子物质（不止一个原子）宏观流动，即扩散热运动浓度梯度，或化学位梯度扩散本质：一种物质的输送过程，类似于热的传导，电的传导。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扩散现象(diffusion)§6.1固体中的扩散速率原子要在固体中扩散，扩散原子应当具有足够的能量来克服激活能垒从而能宏观流动，

2、进行固态下的反应，其中包括原子自发地重新排列形成新的,更稳定的结构。激活能：原子应当具有足够的能量来克服激活能垒,所需的超过原子平均能量的附加能量称为激活能，单位为J/mol。反应物产物激活能反应时释放的能量图6.1热激活固态反应的激活能示意图Er：反应物的能量△E*：激活能Ep：产物的能量一、基本概念在任一温度下，系统中只有一小部分原子的能量会达到△E*的水平。随着系统温度的升高，越来越多的原子的能量会达到激活能水平。例1.温度对气体分子能量增加的影响。T(K)时，系统原子的平均能量为E，能量为E*(E*

3、>E)的原子出现的几率为几率∝exp（-（E*-E)/KT)1、K=1.38×10-23J/K；2、当E*远大于E，大于E*的原子数分数可表示为n/N=Cexp（-E*/KT)说明：例2.瑞典化学家Arrhenius研究温度对反应中扩散速率的影响。反应（扩散）速率=Cexp(－△E*/RT)△E*为激活能（J/mol）R摩尔气体常量，R=8.321J/(mol·K)C为与温度无关的速率常数Ln（扩散速率）=常数－△E*/RTLog（扩散速率）=常数－△E*/2.303RT写成对数形式激活能从直线的斜率－△E

4、*/R计算出在许多情况下，原子间的反应速率取决于参与反应的原子中激活能等于或大于E*原子数目。二、扩散速率§6.2固体中的原子扩散1、空位机制一、扩散机制：空位机制间隙机制空位是金属及合金中的平衡缺陷，纯金属中的自扩散和置换固溶体中的扩散就是通过原子与空位交换位置实现的。图6.2空位扩散示意图空位扩散条件：1、扩散原子近邻应当有空位；2、空位周围原子具有激活能。注意：随着金属熔点的提高，激活能也提高，金属的熔点越高，其原子间的结合能也越强2、间隙机制在间隙固溶体当中，溶质原子从一个间隙位置跳到另一个间隙位置

5、的扩散，即间隙扩散。如：碳在α－铁或γ－铁中进行扩散的过程。图6.3间隙扩散机制示意图两种机制比较：1、空位扩散激活能大于间隙扩散激活能；2、空位扩散激活能还与原子尺寸的差别及原子间结合能的差别有关。二、稳态扩散研究对象：溶质原子沿x方向在相距（x2－x1）的两平行原子面之间的扩散情况。稳态扩散：经过一段时间后，x2和x1之间各处的溶质原子浓度不再随时间变化，这种扩散称为稳态扩散。假设：以简立方为例，溶质与溶剂原子之间无化学反应。c：每单位体积的原子数a：每个原子面中，原子每次跳动距离ν：溶质原子每秒平均跳

6、动次数则单位面积上溶质原子数为c×（1×a）＝ca从平面i到（i＋1）：每秒穿过单位面积的溶质原子数为νcia/6从平面（i＋1）到i：每秒穿过单位面积的溶质原子数为νci＋1a/6单位时间内通过单位面积参考面的量为：两个浓度关系也可以表示为：且由以上3式可知：令则有说明：(5)在稳态扩散的条件下，单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积的扩散物质量（通称扩散通量）与该截面处的浓度梯度成正比例1：若体心立方和面心立方结构的点阵常数为a，则相邻两原子面间距为a/2，每次跳动原子移动的距离对于体心立方为，对于面心

7、立方为，但它们有效跳动距离均为a/2，而有效跳动几率对于体心立方为4/8，对于面心立方为4/12。采用上述方法可以求出Fick第一定律，并求出扩散系数D。解：三、非稳态扩散Fick第一定律：与时间无关，稳定扩散与时间有关，非稳定扩散Fick第二定律：Fick第二定律的推导例：有一存在浓度梯度的棒其长度以x表示，与x点相对应的点的浓度为c，当x点增大到x+dx，其对应的浓度增大为c+dc，这时有溶质原子沿x轴负向流动，流入dx的扩散流量为Jx+dx，流出为Jx由Fick第一定律有：由（5）（6）、（7）得Fi

8、ck第二定律：说明：（1）三维方向存在浓度梯度（a）假设各方向的D扩散系数相等（b）若各方向的D扩散系数不相等（C)扩散物质浓度随时间的变化速率等于扩散通量随位置的变化率。（2）气体进入固体的扩散过程，Fick第二定律有特解。Cs为气体元素在表面的浓度；C0为固体的原始浓度；Cx为时间t时，距表面x处的元素浓度。四、柯肯达尔效应Smigelskas和Kirkendall于1946年以实验证明，在置换式铜—锌合金中