材物扩散课件培训资料.ppt

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1、材物扩散课件第一节引言就固体中原子（或离子）的运动而论，有两种不同的方式。一种为大量原子集体的协同运动，或称机械运动；另一种为无规则的热运动，其中包括热振动和跳跃迁移。扩散是由于大量原子的热运动引起的物质的宏观迁移。第一节概述扩散的现象与本质柯肯达尔效应B原子比A原子具有更快的扩散速度，使扩散偶的B侧向A侧发生了物质净输运。1.1扩散能够进行的原因：扩散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

2、有推动力，这种推动力通常是由浓度梯度提供的。Q235钢板偏析黄铜合金的成分偏析但应指出，在更普遍情况下，扩散推动力应是系统的化学位梯度.物质从高化学位流向低化学位是更普遍的规律，一切影响扩散的外场——浓度场、电场、磁场、应力场等，都可统一到化学位梯度之中，根据热力学第二定律，化学位梯度为零是扩散过程的限度。1.2扩散分类（1）按浓度均匀程度分：有浓度差的空间扩散叫互扩散；没有浓度差的扩散叫自扩散。（2）按扩散方向分：由高浓度区向低浓度区的扩散叫顺扩散，又称下坡扩散;由低浓度区向高浓度区的扩散叫逆

3、扩散，又称上坡扩散。（3）按原子的扩散方向分：在晶粒内部进行的扩散称为体扩散；在表面进行的扩散称为表面扩散；沿晶界进行的扩散称为晶界扩散。表面扩散和晶界扩散的扩散速度比体扩散要快得多，一般称后两种情况为短路扩散。此外还有沿位错线的扩散，沿层错面的扩散等。第二节固体扩散机构及其动力学方程固体扩散机构扩散动力学方程——菲克定律2.1固体扩散机构(扩散微观机制)与气体、液体不同的是固体粒子间很大的内聚力使粒子迁移必须克服一定势垒，这使得迁移和混和过程变得极为缓慢。然而迁移仍然是可能的。扩散机制：扩散可分为

4、间隙机制、空位机制、填隙机制和换位机制四种。2.1.1间隙机制当晶体中存在较小的间隙原子时，间隙原子通过晶格之间的间隙跃迁实现扩散。这是一种重要的扩散机制。扩散物可以是原子，也可以是离子。2.1.2空位机制绝对零度以上热平衡晶体总存在一定数量的空位。在扩散过程中，扩散原子离开原位置进入空位，原位置便形成新的空位，从而形成扩散原子与空位的逆向流动。科肯达尔效应即是空位扩散的结果。2.1.3填隙机制（亚（准）间隙扩散）本应处于阵点位置的原子出现在间隙中，获得一定能量后将邻近的阵点原子挤入间隙并取而代之。

5、一般情况下这类缺陷浓度较低，对扩散贡献不大。但辐照和加热可提高这类缺陷，增强扩散。2.1.4换位机制分直接换位和环形换位两种。由于需要多个原子协同运动，所需能量较高。讨论：根据迁移所需要的能量，在以上各种扩散中：1.易位扩散所需的活化能最大。2.由于处于晶格位置的粒子势能最低，在间隙位置和空位处势能较高：故空位扩散所需活化能最小，因而空位扩散是最常见的扩散机理，其次是间隙扩散和准间隙扩散。粒子跳跃势垒示意图2.2.1菲克第一定律1858年，菲克（Fick）参照了傅里叶（Fourier）于1822年建

6、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。2.2扩散动力学方程——菲克定律傅里叶导热方程菲克第一定律在扩散现象中，单位时间内通过给定截面的物质的量，正比例于垂直于该界面方向上的浓度梯度和截面面积，而物质迁移的方向则与浓度升高的方向相反。在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比例于垂直于该界面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。D是比例系数，称为扩散系数。λ是比例系数，称为导热系数。扩散通量——单位时间内通过单位横截面的粒子数。用J表示，

7、为矢量。热通量——是单位时间，单位面积传递的热量。扩散具有方向性，且是各个方向的，故J用矢量表示：扩散过程中溶质原子的分布溶质原子流动的方向与浓度降低的方向一致Fourier定律不涉及传热时间项,定律本身隐含了热传播速度为无限大的假设。对于热作用时间较长的稳态传热过程,Fourier定律的正确性是毋庸置疑的。但是,对于极端热、质传递条件下的非稳态传热过程,如极低(高)温条件的传热(质)问题、超急速传热(质)问题以及微时间或微空间尺度条件下的传热(质)问题,热传播速度的有限性却必须考虑，人们把在极端热

8、、质传递条件下出现的一些不遵循(或偏离)Fouirier导热定律的热传递效应称为热传导的非傅立叶效应.而对于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的不稳定扩散，需要用菲克第二定律来描述。同样菲克第一定律也不涉及时间项，适用于稳定扩散，即在垂直扩散方向的任一平面上，单位时间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。2.2.2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，利用菲克第一定律不容易求出。但通常的扩散过程大都是