第五章-扩散动力学简介.ppt

1.菲克定律 2.各种扩散系数 3.扩散系数的测定方法 4.扩散机制 菲克第一定律：( ，稳态） 菲克第二定律：（ ，非稳态） 各种扩散系数介绍示意图 2.1自扩散系数 2.3 化学扩散系数(相互扩散系数)Chemical diffusion coefficient 2.4 本征扩散系数(intrinsic diffusion coefficient) ? AB合金中的本征扩散系数（组元扩散系数）DA 和 DB 描述了A和B两种物质相对于点阵平面的扩散； ? 由于A和B的扩散系数不同,因而存在着原子通过点阵平面的净流量； 如果点阵位置数是守恒的,那么点阵平面将沿着样品中某个固定的轴运动,以弥补原子通过点阵平面的不相等的流量，同时点阵位置将在扩散带一侧产生而在另一侧消失； 点阵位置的产生与消失是通过点缺陷(如空位，间隙原子)的形成与消失来实现的； 点阵平面相对于样品中某个固定的轴的偏移: 柯肯达尔效应. 2.4 本征扩散系数 2.4 本征扩散系数 3 扩散系数的测定方法 测定扩散系数的间接方法 薄层方法通常用于放射性示踪原子试验中，其中最常用的方法是直接测定成分分布来推算扩散系数D ?同位素 95Zr 通过电化学沉积涂敷在alpha(Zr)单晶表面 ?然后分别在不同温度下扩散（退火）不同时间并测量退火后的浓度 ?绘制浓度与渗透距离平方的关系曲线，曲线的斜率相当于–1/(4Dt). Boltzmann-Matano方法 Sauer 与 Freise 方法 不需要确定Matano平面的位置 将细导线（直径约0.1cm）放置在一层溶质金属(约10-4 cm)上，测定在恒定的退火温度下导线的电阻随时间的关系可以用来推算扩散系数 比较实验值与固有的理论表达式之间的关系，可以推算D值。 X射线衍射分析 原理:测定扩散物质表面成分的递减 在约2*10-2 cm厚的薄膜上沉积一层约10-5cm的物质，扩散物质的浓度可以由X衍射分析得出，用X射线线位置的偏移来确定成分，成分大概在1％至3％之间变化。 这种方法确定的扩散系数非常类似于杂质扩散系数。 Snoek效应: 在体心立方金属中的间隙位置(八面体或四面体)具有四方对称性。间隙位置填充的C,N,O原子可以引起驰豫现象，这就是所谓的Snoek效应。 Gorski效应: ?任何外来的原子在溶剂中都会产生点阵膨胀(lattice dilatation) ?diffusion:宏观应力梯度而导致滞弹性松弛(anelastic relaxation) ?只有扩散系数足够大的情况下，才能够观测到Gorski效应。 ?到目前为止， Gorski效应只用于氢原子在金属中的扩散研究。 Zener效应: ?在替换型AB合金中，溶质－溶剂原子对在外加应力的影响下发生重排，从而引起滞弹性松弛 ?重新排布动力学 跳跃频率（Jump Frequency） 扩散系数 (a) NMR (核磁共振谱法) (b) MBS(穆斯堡尔谱法) (b) MBS(穆斯堡尔谱法) (c) QENS 准弹性中子散射 (直接)填隙机制 对于氢，碳，氮，氧等微小杂质原子在金属中扩散的情况而言 直接交换和环形机制 这种机制目前还没有相应的实例，是一种理论机制 空位机制 双空位机制 推填子机制 填隙-替换机制 4.1(直接)填隙机制 ? * C,N,O, and H *(直接)填隙机制中所溶解的填隙原子的运动不包括材料本身点缺陷(如，空位，双空位，自填隙原子）作为载体的运动 *直接填隙机制的扩散速度比替换原子扩散的速度更快 4.2直接交换和环形机制 此类扩散机制产生时所需的能量可能较高，所以目前还没有发现有关此扩散机制的实际现象。 4.3-4 空位机制 空位机制很容易在合金和金属的扩散中观察到。空位和溶解的外来置换原子之间的相互作用和外来原子的扩散系数相关。相互作用吸引力越大，则扩散系数越大；相互作用排斥越明显，则扩散系数越小。 4.4 推填子机制 图a中，点阵中存在一个自填隙原子(空心圆)和一个外来原子(实心圆)。外来原子落在晶格点阵位置上； 图b中，自填隙原子将外来原子挤出点阵晶格，外来原子成为了一个填隙原子，原来的自填隙原子通过占据点阵位置而消失； 图c中，外来填隙原子继续与另外一个点阵晶格上的原子作用，将其中的某个点阵晶格中的原子挤出，使其变为自填隙原子。 4.5 填隙-