CH4 固态中原子及分子的运动(12级).ppt

第四章 固体中原子和分子的运动;本章的主要内容;本章的要求;物质的传输方式;扩散现象： 扩散(diffusion)：由构成物质的微粒(离子、原子、分子)的热运动而产生的物质迁移现象。 扩散的本质是原子或分子依靠自身的热运动克服束缚而不断的从一个位置迁移到另一个位置的过程。其宏观表现是物质的定向输送。 在固体材料中也存在扩散，并且它是固体中物质传输(原子迁移)的唯一方式。因为固体不能象气体或液体那样通过对流和扩散两种方式进行物质传输。即使在纯金属中也同样发生扩散，用参入放射性同位素可以证明。 扩散在材料的生产和使用中的物理过程有密切关系，例如：凝固、偏析、均匀化退火、冷变形后的回复和再结晶、固态相变、化学热处理、烧结、氧化、蠕变等。 ; 固态金属扩散有哪些条件？ 由于固态金属中原子间结合力比气体、液体大得多，其扩散也不易、需具备下列四个条件才能扩散: 1.温度要足够高。只有T足够高，才能使原子具有足够的激活能，足以克服周围原子的束缚而发生迁移。 2.时间要足够长。扩散原子在晶格中每一次最多迁移0.3～0.5n m的距离，要扩散1㎜的距离，必须迁移近亿次。 3.扩散原子要能固溶。扩散原子在基体金属中必须有一定的固溶度,能溶入基体组元晶格形成固溶体,才能进行固态扩散。 4.扩散要有驱动力（driven force）。化学位梯度。实际发生的定向扩散过程都是在扩散驱动力作用下进行的。;4.1 表象理论 (Phenomenological laws); 扩散(diffusion): 在一个相内因分子或原子的热激活运动导致成分混合或均匀化的分子动力学过程。;;4.1.1 Fick 第一定律; Fick第一定律内容：在单位时间内通过垂直扩散方向的单位截面积上的扩散物质流量(diffusion fluxes、称为扩散通量，g/cm2·s 或 原子数/cm2·s )与该截面处的浓度梯度成正比. 表达式: dρ为浓度，g/cm3。 负号表示扩散由高浓度向低浓度方向进行。 比例常数D称为扩散系数，单位为：;; 稳态时: 单位时间内通过半径为r(r2rr1) 的圆柱管壁的碳量为常数: q/t; 扩散第一方程是被大量实验所证实的公理，是扩散理论的基础。 浓度梯度一定时，扩散仅取决于扩散系数，扩散系数是描述原子扩散能力的基本物理量。 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。 扩散第一定律只适合于描述的稳态扩散，即在扩散过程中系统各处的浓度不随时间变化。 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。;4.1.2 Fick第二定律;第二定律的推导过程;在体积元(Adx)内; ※ 表达式: 若扩散系数D为常数，方程可写成 ※ 若D与浓度无关则表达式: ※ 三维扩散情况且D是各向同性，则表达式: ; 菲克定律描述了固体中存在浓度梯度时发生的扩散，称为化学扩散(异扩散、互扩散)(mutual/chemical diffusion)。 伴有浓度变化的扩散。互扩散与异类原子的浓度差有关，是异类原子的相对扩散、相互渗透。 例如:化学热处理；材料成分均匀化。;定义：自扩散系数;4.1.3 扩散方程的解及应用 ; 1.两端成分不受扩散影响的扩散偶（diffusion couple） 将两根溶质原子浓度分别是ρ1和ρ2、横截面积和浓度均匀的金属棒沿着长度方向焊接在一起，形成无限长扩散偶，然后将扩散偶加热到一定温度保温，考察浓度沿长度方向随时间的变化。; 设扩散系数为常数，则： 初始条件： （t=0，x﹥0） （t=0，x﹤0） 边界条件： （t﹥0，x=∞） （t﹤0，x=-∞） ; 解微分方程→引入中间变量： →引入高斯误差函数erf(β)： →求通解： →根据边界条件和初始条件、根据误差函数性质、求解出待定常数A1和A2→求特解: ; 2.一端成分不受扩散影响的扩散体(一维半无限长、恒定源扩散) 设扩散系数为常数，则： 初始条件： （t=0，x≥0） 边界条件： （t＞0，x=0） （t＞0，x=∞） 首先求通解,求解方