科学基础第3章扩散汇编.pptx

第三章 固体中的扩散 diffusion;固体中的扩散; 扩散(diffusion)：由于物质中原子（或者其他微观粒子）的微观热运动所引起的宏观迁移现象。; 气体;在固体中的原子和分子是在不停地运动;;研究扩散可以从两个角度： 唯象　（Phenomenological Approach） 原子结构　（Atomistic approach）;材料制备、加工和服役的许多过程与扩散有关。 如：相变 氧化 蠕变 烧结 表面处理等;固体中的扩散;稳态扩散(steady-state diffusion)：系统各处的浓度不随时间改变，即: 　　; 菲克第一定律 ;单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散通量与该面积处的浓度梯度成正比 “-”表示扩散方向与浓度梯度方向相反，即原子从高浓度方向向低浓度方向扩散（下坡扩散） ; 浓度梯度一定时，扩散仅取决于扩散系数(diffusion coefficient)，扩散系数是描述原子扩散能力的基本物理量，并非常数，与许多因素有关（包括浓度），但与浓度梯度无关。; 2. 稳态扩散的实例; 2、空心的薄壁圆筒渗碳　　　;对于稳态扩散，q/t是常数，C 与r可测，l为已知值，故作C与lnr的关系曲线，求斜率则得D.;上图中曲线各处斜率不等，即D不是常数 ;3. 非稳态扩散－Fick第二定律;∵dx很小， ∴;若D不随x变化，则：;4.菲克第二定律的解; 初始条件: ;设中间变量 ：;于是可得：;在界面上（x=0）, 由于erf(0)=0，所以;(2)误差函数解针对半无限长棒扩散问题（钢件的渗碳）　 初始条件：t=0, x＝0, C＝C0。 边界条件：t0, x=0, C＝Cs x=∞, C＝C0。 ;假定渗碳一开始，表面的碳浓度就达到渗碳气氛的 碳浓度Cs 。可以得到通解 ;∵ erf(0.5)=0.5， 当;§1　唯象理论;§1　唯象理论;§1　唯象理论;§1　唯象理论;3.2　扩散的原子理论;2.　间隙扩散(interstitial diffusion) 原子从一个间隙跳到相邻的间隙，发生在间隙固溶体中 。;3.　空位扩散(vacancy diffusion) 　　大半径原子，一般不可能位于间隙， 　　它的扩散要借助于空位。 　　空位扩散和原子的扩散是一个互逆的过程。 ;4．自扩散(self-diffusion) 　　在纯元素组成的固体材料中，原子的扩散称之为自扩散，它也是借助于空位进行的。;;二、热激活和扩散系数;二、热激活和扩散系数;;;; 4.　 ? 和扩散系数的表达式 （1）间隙扩散　;D0：扩散常数； Q：激活能;（2）置换扩散 　置换扩散的扩散系数与空位有关;;5、扩散激活能; 四、置换合金中的扩散方程（Darken’s equation） 1. 置换合金中的扩散;2．Kirkendall 效应 　 点阵平面的迁移的验证;3. Darken 方程 思路：将扩散的原子流分成两部分： ;;;;一、　扩散的驱动力 唯象理论，扩散的驱动力－浓度梯度，;;;§4　影响扩散的因素;无论是间隙机制，还是空位机制，都遵循热激活规律。温度提高，扩散原子获得能量超过能垒的几率越大，同时晶体的平衡空位浓度也越高，这些都是提高扩散系数的原因 eg.1: 1027℃比927℃时，C在γ-Fe中的扩散系数D增加3倍 eg.2:置换固溶体， D=10-8~10-9cm2/s， 固相线附近温度 D=10-20~10-50cm2/s，室温下 ;二、晶体结构;2.　结构类型;2.　结构类型;3. 晶体缺陷 晶体缺陷（界面、位错、自由表面）有高扩散通道的作用，但是温度越高，这种作用越弱。;四、应力的作用 一般情况下应力能成为扩散驱动力的一部分，因此会加速扩散。; 由于扩散过程的进行，在固体内部发生相变，称之为反应扩散。如在钢的表面渗氮（氮化处理）时，会在表层或近表层形成化合物，形成的化合物的种类可以从相图推测（见教材p162, 图3－30），但扩散层中不会形成两相区。;;