科学基础第四章-huanlei范例.ppt

Fundamentals of Materials Science 第四章 固体中原子及分子的运动 反应扩散——通过扩散形成新相的现象。 由反应扩散所形成的相可参考平衡相图进行分析。 实验结果表明：在二元合金经反应扩散的渗层组织中不存在两相混合区，而且在界面上的浓度是突变的。 五、反应扩散 §4.4 离子晶体中的扩散 　　在金属和合金中，原子可以跃迁进人邻近的任何空位和间隙位置。但是在离子晶体中，扩散离子只能进人具有同样电荷的位置，即不能进人相邻异类离子的位置。离子扩散只能依靠空位来进行，而且空位的分布也有其特殊性。由于分开一对异类离子将使静电能大大增加，为了保持局部电荷平衡，需要同时形成不同电荷的两种缺陷，如一个阳离子空位和一个阴离子空位。形成等量的阳离子和阴离子空位的无序分布称为肖脱基（Schottky）型空位。 Fundamentals of Materials Science 第四章 固体中原子及分子的运动 在离子晶体中，由于离子键的结合能远大于金属键的结合能，扩散离子所需克服的能垒比金属原子大得多，而且为了保持局部的电中胜，必须产生成对的缺陷，这就增加了额外的能量，再则扩散离子只能进人具有同样电荷的位置，迁移的距离较长，这些都导致了离子扩散速率通常远小于金属原子的扩散速率。 Fundamentals of Materials Science 第四章 固体中原子及分子的运动 阳离子的扩散系数通常比阴离子大。因为阳离子失去了它们的价电子，它们的离子半径比阴离子小，因而更易扩散。例如，在NaCl中，氯离子的扩散激活能约是钠离子的2倍。 * Fundamentals of Materials Science 第四章 固体中原子及分子的运动 六、置换型固溶体中的扩散 对于置换型溶质原子的扩散，由于溶剂与溶质原子的半径相差不会很大，原子扩散时必须与相邻原子间作置换，且两者可动性大致属于同一数量级，因此，必须考虑溶质和溶剂原子的不同扩散速率。 这种由于Cu、Zn不同的扩散速率导致钼丝移动的现象叫柯肯达尔效应。相同的现象也出现在Ag-Au，Ag-Cu，Au-Ni ，Cu-Al等扩散偶中。 Kirkendall实验 Fundamentals of Materials Science 第四章 固体中原子及分子的运动 Fundamentals of Materials Science 第四章 固体中原子及分子的运动 Kirkendall效应的副效应 　　在扩散系数大的一侧(通常是低熔点金属)形成孔洞，改变了晶体的密度，甚至扩散偶焊接面也发生变化，在表面形成凹突面，这种副效应在电子器件中可能引起断线、击穿、性能恶化、甚至报废． Fundamentals of Materials Science 第四章 固体中原子及分子的运动 达肯（Darken）在1948年对柯肯达尔作了唯象的解析，他把标记飘移看作类似流体运动的结果，即整体地流过了参考平面。他获得标记飘移地速度表达式为： 或 式中x1和x2分别表示组元1和组元2地摩尔分数。由上式可知，当组元1和组元2地扩散系数D1和D2相同时，标记飘移速度为零。 Fundamentals of Materials Science 第四章 固体中原子及分子的运动 达肯引入互扩散系数 ，得出置换固溶体中的组元仍具有菲克第一定律的形式： 式中，其中，D为互扩散系数， J1和J2的扩散方向相反 讨论： 1）当 当 2）互扩散系数与本征扩散系数的差别随溶质原子的浓度增加而增大 3）测定某温度下的互扩散系数，标记漂移速度和质量浓度梯度，就可计算出本征扩散系数。 表明在很稀的置换固溶体中互扩散系数接近原子本征扩散系数 Fundamentals of Materials Science 第四章 固体中原子及分子的运动 （１）揭示了扩散宏观规律与微观扩散机制的内在联系，具有普遍性； （２）直接否认了置换型固溶体扩散的等量换位机制，支持了空位机制； （３）扩散系统中每一种组元都有自己的扩散系数； （４） Kirkendall现象往往会产生副效应，如收缩不完全会造成Kirkendall孔洞等，这些副效应在实际当中往往产生不利的影响，因而应设法加以控制． Kirkendall效应的实际意义 Fundamentals of Materials Science 第四章 固体中原子及分子的运动 七、扩散系数D与浓度相关时的求解 玻尔兹曼和俣野给出了从实验曲线ρ(x)来计算不同质量浓度下的扩散系数D(ρ)的方法。 若扩散系数D随浓度变化而变化，则菲克第二定律应写成： （1） Fundamentals of Materials Science 第四