辽宁科技大学材料科学基础固体中的扩散ppt课件.ppt

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1、第三章固体中的扩散完全混合部分混合时间加入染料水扩散现象扩散概述★扩散定律★★扩散系数及影响扩散的因素★★章节内容扩散(Diffusion)由于热运动或物质内有梯度（化学位、浓度、应力梯度等）存在时导致的原子运动，即物质从系统的一部分迁移至另一部分的现象，被称为扩散。扩散是一种非常普遍的自然现象，对一些物理及化学变化起着重要的作用。特别是在固体中，由于不存在对流，扩散就成为物质传输的唯一方式。在材料科学这门学科中和扩散有关的各种问题很多，如扩散型相变、渗碳和渗氮工艺、氧化过程、高温蠕变等都和扩散有关。相变烧结材料表面处理扩散半导体掺杂固溶体的形成离子晶体的

2、导电固相反应扩散概述固体中迁移固体中由于原子的热运动所造成的物质传输过程。在晶体中，原子在其平衡位置上作快速热振动，若因某种原因（如温度升高）使一些原子能量增大到足以克服周围原子的束缚，这些原子就可以在热振动过程中跃迁到邻近的位置上去如果这种跃迁不断地继续下去就形成舞质的传输。扩散过程是传质过程。它是一个不可逆过程，也是体系熵增加过程。扩散特点原子热运动造成物质的宏观流动；是物质的输运过程；与热传导相似与电的传导相似自扩散原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散－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－有浓度变化有无浓度变化原子由高浓度处向

3、低浓度处进行的扩散下坡扩散上坡扩散原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散扩散方向扩散过程中不出现新相原子扩散反应扩散通过扩散形成新相的过程是否出现新相扩散的分类晶体内部扩散体扩散短路扩散沿自由表面及内部缺陷(晶界、相界及位错中心等)的扩散扩散路径根据所测量的参数描述物质传输的速率和数量扩散的宏观规律扩散过程中原子是如何迁移的扩散的微观机制表象理论原子理论描述和研究扩散可以归纳为两个方面：宏观描述和微观描述。扩散的宏观描述宏观描述：：宏观角度描述扩散流量（单位时间通过单位面积的物质量）和导致扩散流的热力学参数之间的关系。这种关系的线性比例系数称唯象系数。再根据物

4、质守恒，导出物质浓度随时间变化的微分方程。当知道了唯象系数，根据一定的边界条件可以解某一瞬间的浓度场（解析解或数值解）。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。如果清楚了扩散机制，唯象系数最终可以用原子跳动频率以及有关参数来描述。目标：了解扩散的微观理论和机制扩散的宏观描述-扩散定律扩散定律1855年，菲克（Fick）参照了傅里叶（Fourier）于1822年建立的导热方程，在热传导方程的基础上提出

5、了各向同性物质中扩散过程的定量数学表达式，即所谓的Fick第一定律:单位时间内，通过单位面积的扩散物质与垂直于截面方向的浓度梯度成正比。该方程称为菲克第一定律或扩散第一定律，其中：J：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质量，单位为kg/(m2s)或mol/(cm2s)，又称扩散通量。D：扩散系数，单位为m2/s。C：扩散物质的浓度，单位为kg/m3或mol/m3。　dC/dx：浓度梯度，x为沿扩散方向的距离。“—”负号表示扩散物质流的方向与浓度下降方向一致，扩散的结果导致浓度梯度的减小，使成份趋于均匀。对于菲克第一定律，有以下值得注意

6、：1.唯象的关系式，其中并不涉及扩散系统内部原子运动的微观过程。2.扩散第一方程与经典力学的牛顿第二方程、量子力学的薛定鄂方程一样，是被大量实验所证实的公理，是扩散理论的基础。3.浓度梯度一定时，扩散仅取决于扩散系数D，扩散系数D是描述原子扩散能力的基本物理量，D反映了扩散系统的特性，并不仅仅取决于某一组元的特性。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。4.当时，J=0，表明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。5.在扩散第一定律中没有给出扩散与时间的关系，故此定律适合于

7、描述的稳态扩散，即在扩散过程中系统各处的浓度不随时间变化。即：Fick第一定律表示的是稳态过程6.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。例题：设有一条内径为30mm的厚壁管道，被厚度为0.1mm的铁膜隔开，通过向管子的一端向管内输入氮气，以保持膜片一侧的氮气浓度为1200mol/m3，而另一侧的氮气浓度为100mol/m3。如在700℃下测得通过管道的氮气流量为2.8×10-4mol/s，求此时氮气在铁中的扩散系数。膜片两侧的氮浓度梯度为：解：此时通过管子中铁膜的氮气通量为根据Fick第一定律菲克第一定律的局限第一定律只能解决稳态扩散

8、——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