2019 第七章固体中的扩散-PPT课件.ppt

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1、第七章固体中的扩散扩散(diffusion)是物质中原子（分子或离子）的迁移现象，是物质传输的一种方式。扩散是一种由热运动引起的物质传递过程。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。扩散是固体中原子迁移的唯一方式。7-1扩散现象及分类扩散现象则是由于物质中存在浓度梯度或化学梯度、温度梯度、势能梯度所引起的质量输运过程，扩散的结果是最终消除系统中的各种梯度。固体中扩散的基本特点：（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强，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

2、散常开始于较高的温度，但又低于固体的熔点。（2）晶体中原子或离子依一定方式所堆积成的结构将以一定的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。如图所示处于平面点阵内间隙位的原子，只存在四个等同的迁移方向，每一迁移的发生均需获取高于能垒的能量，迁移自由程则相当于晶格常数大小。晶体中质点的扩散具有各向异性，其扩散速率也远低于流体中的情况。G间隙原子扩散势场示意图在没有外界势场的作用时，最后达到体系内组分浓度的均匀分布，通常是从两个方面来研究固体中的扩散：另一方面是对扩散的微观的机理的认识，把扩散与晶体内原子的和缺陷的运动联系起来，建立起某些

3、扩散机理的模型一方面是对扩散表象学的认识，即对扩散的宏观现象的研究，如对物质的流动和浓度的变化进行实验的测定和理论的分析，利用所得到的物质输运过程的经验的表象的规律，以定量地讨论固相中的各种反应过程，如固体的烧结、分解、锈蚀，晶体的生长、相变、离子晶体的导电、金属与合金的热处理等。（1）根据有无浓度变化扩散分类自扩散(self-diffusion)：原子经由自身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。自扩散（无浓度变化）和互扩散（有浓度变化）互（异）扩散(mutualdiffusion)：原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散。

4、（2）根据扩散方向下坡扩散(downhilldiffusion)和上坡扩散(uphilldiffusion)下坡扩散(downhilldiffusion)：原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。上坡扩散(uphilldiffusion)：原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散。原子扩散(atomicdiffusion)：扩散过程中不出现新相。（3）根据是否出现新相原子扩散和反应扩散反应扩散(reactiondiffusion)：由之导致形成一种新相的扩散。空位机制间隙机制（直接间隙机制）填隙机制（间接间隙机制）换位扩散机制7-2扩散的微观机制以空位为媒

5、介而进行的扩散，空位周围相邻的原子跃入空位，该原子原来占有的格位就变成空位，这个新空位周围的原子再跃入这个空位，以此类推，就构成了空位在晶格中无规的行走；而原子则沿着与空位运动相反的方向也作无规的行走，从而发生了原子的扩散。空位扩散的速率取决于临近空位的原子是否具有越过势垒的自由焓，同时也取决于空位浓度。此外，纯金属中的自扩散也是通过空位机制进行的。空位机制间隙机制（直接间隙机制）扩散的原子在晶格间隙的位置之间的运动。在间隙固熔体中，溶质原子可以从一个间隙位置跳到相邻间隙位置，跳动时，必须把点阵上间隙原子左右和其上下侧相邻阵点的原子挤开，使晶格发

6、生局部的瞬时畸变，这部分畸变能便是溶质原子跳动时所必须克服的势垒。H、N、O、C等原子都是以间隙机制在金属中扩散。填隙机制（间接间隙机制）在填隙机制中，有两个原子同时易位运动，其中一个是间隙原子，另一个是处于点阵上的原子。间隙原子将阵点上的原子挤到间隙位置上去，自己进入阵点位置。由于点阵所施加的约束不同，在填隙机制中，又分为如图所示的沿ABC移动的共线跳动和沿ABD移动的非共线跳动。填隙机制经常在离子材料中出现，如氟石结构中的阴离子就是通过填隙机制来移动的。BADC直接换位机制（interstitialcymechanism），即相邻两原子直接交

7、换位置。这会引起很大的点阵瞬时畸变，需要克服很高的势垒，只能在一些非晶态合金中出现。原子直接换位示意换位扩散机制直接换位机制和环形换位机制(2)环形换位机制（crowdionconfiguration）同一平面上的数个原子同时进行环形旋转式交换位置。这种机制具有较低的势垒，不过需要原子之间有大量的合作运动，也不容易实现。(1)扩散原子近旁存在空位（或间隙）；实现扩散，必须同时具备两个条件：(2)扩散原子具有可以超过能垒的自由能。（1）稳态扩散(steadystatediffusion)：扩散过程中各处的浓度及浓度梯度(concentiontrat

8、iongradient)不随时间变化（∂C/∂t=0，∂J/∂x=0）(a)Steady-statediffusionacrossath