材料科学基础固体中的扩散(共100张PPT).pptxVIP

???????固体中的扩散;本章内容;概 论; 当物质内有梯度（化学位、浓度、应力梯度等）存在时，由于物质的热运动而导致质点的定向迁移过程。;1. 概论;概论;化学位梯度、浓度梯度;扩散的基本特点;图1 扩散质点的无规则行走轨迹;质点间相互作用强，需要克服一定的势垒； 扩散开始温度较高，一般在熔点以下即开始扩散； 质点的迁移方向和大小受到限制，与晶格常数有关； 扩散较气、液缓慢。;;;1 概述 ;在两种原子尺寸的差异不是Mo丝移动的主要原因，这只能是在退火时，因Cu，Zn两种原子的扩散速率不同，导致了由黄铜中扩散出的Zn的通量大于铜原子扩散进入的通量。这种不等量扩散导致Mo丝移动的现象称为Kirkendall Effect（柯肯达尔效应）。 ;扩散的条件;扩散的分类;;Adolf Fick;菲克第一定律 1858年，菲克（Fick）参照了傅里叶（Fourier）于1822年建立的导热方程，获得了描述物质从高浓度区向低浓度区迁移的定量公式。  假设有一单相固溶体，横截面积为A，浓度C不均匀，在dt时间内，沿方向通过处截面所迁移的物质的量与处的浓度梯度成正比：  ;;引入扩散通量的概念，有 （1） 上式即菲克第一定律。 式中J称为扩散通量, 是单位时间内通过垂直于x轴的单位面积的原子数量，常用单位为g/(cm2.s)或mol/(cm2.s) ； D是同一时刻沿轴的浓度梯度；是比例系数，称为扩散系数。表示单位浓度梯度下的扩散通量，单位为 cm2/s或m2/s。;图4 溶质原子流动的方向与浓度降低的方向一致;对于菲克第一定律，有以下三点值得注意：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. 扩散系数反映了扩散系统的特性，并不仅仅取决于某一种组元的特性。3. 不仅适用于扩散系统的任何位置，而且适用于扩散过程的任一时刻。;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，利用菲克第一定律式（1）不容易求出。但通常的扩散过程大都是非稳态扩散，为便于求出，还要从物质的平衡关系着手，建立第二个微分方程式。;图5 扩散流通过微小体积的情况;如图5所示，在扩散方向上取体积元 和 分别表示流入体积元及从体积元流出的扩散通量，则在Δt时间内，体积元中扩散物质的积累量为 ;有限长物体的扩散有限长是指尺度扩散区的尺度4?Dt，因而扩散的范围遍及整个物体。 板厚为，BCC Fe的密度约为，在1000K时扩散系数为 缺陷的密度增加，扩散系数增加。 易位扩散所需的活化能最大。 图15 Ag的自扩散系数Db，晶界扩散系数Dg和表面扩散系数Ds 扩散方程的应用 对于扩散的实际问题，1）求出通过某一曲面（如平面、柱面、球面等）的通量J，以解决单位时间内通过该面的物质量dm/dt=AJ，2）求解浓度分布c(x,t)，以解决材料的组分及显微结构控制，为此需要分别求解菲克第一定律及菲克第二定律。 在晶体中加入杂质可能导致扩散介质产生晶格畸变，使扩散系数增大； 考虑到平衡时[e’]=2[Vo’’]，故： 于是非化学计量空位对氧离子的空位扩散系数贡献为： 在置换固溶体中，一个处于阵点上的原子通过与空位交换位置而迁移，又叫做空位扩散 板厚为，BCC Fe的密度约为，在1000K时扩散系数为 计算每秒钟每平方厘米面积传输到后面表面的碳的原子数。 说明理论分析与实验结果是一致的。 无序扩散系数和自扩散系数 下坡扩散：原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。;在三维情况下，Fick第二定律可写成 菲克(Fick)扩散第二定律以微分形式给出了浓度与位置、时间 的关系。针对不同的扩散问题．通过对上述微分方程求解，便可得到 浓度与位置、时间之间的具体函数关系。;稳态扩散和非稳态扩散1）稳态扩散稳态扩散是指在垂直扩散方向的任一平面上，单位时间内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， J=const，2）非稳态扩散不稳定扩散是指扩散物