扩散32.pptVIP

第三章 固体中的扩散 当某些原子具有足够高的能量时，便会离开原来的位置，跳向邻近的位置，这种由于物质中原子（或者其他微观粒子）的微观热运动所引起的宏观迁移现象称为扩散。 物质传输的方式： 1、对流--由内部压力或密度差引起的 2、扩散--由原子热运动引起的 气态和液态物质传输/原子迁移可以通过对流和扩散两种方式进行，对流要比扩散快得多。 固态物质传输/原子迁移的唯一方式是扩散 固态物质中的扩散与温度有很强的依赖关系，温度越高，原子扩散越快。 本章主要内容: 扩散的宏观规律：扩散物质的浓度分布与时间的关系 扩散的微观机制：扩散过程中原子或分子迁移的机制 扩散可以分以下四种类型： ①　化学扩散和自扩散： 扩散系统中存在浓度梯度的扩散称为化学扩散，没有浓度梯度的扩散称为自扩散，如纯金属的自扩散。 ②　上坡扩散和下坡扩散： 扩散系统中原子由浓度高处向浓度低处的扩散称为下坡扩散，由浓度低处向浓度高处的扩散称为上坡扩散。 ③　短路扩散： 原子在晶格内部的扩散称体扩散或晶格扩散，沿晶体中缺陷进行的扩散称短路扩散。短路扩散比体扩散快得多。 ④　相变扩散： 原子在扩散过程中由于固溶体过饱和而生成新相的扩散称为相变扩散或称反应扩散。 3.1 扩散定律及其应用 3.1.1 扩散第一定律 菲克(Fick A)第一定律 （1）第一定律描述：单位时间内通过垂直于扩散方向的某一单位面积截面的扩散物质流量（扩散通量J）与浓度梯度成正比。 （2）表达式： J=-D(dc/dx) ----菲克第一定律或称扩散第一定律 式中， J为扩散通量，表示扩散物质通过单位截面的流量，单位为物质量/m2.s； x为扩散距离； C为扩散组元的体积浓度，单位为物质量/m3； 为沿x方向的浓度梯度； D为原子的扩散系数，单位为m2/s。 负号表示扩散由高浓度向低浓度方向进行。 对于扩散第一定律应该注意以下问题： ① 扩散第一方程与经典力学的牛顿第二方程、量子力学的薛定鄂方程一样，是被大量实验所证实的公理，是扩散理论的基础。 ② 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。扩散系数并非常数，而与很多因素有关，但是与浓度梯度无关。 对于扩散第一定律应该注意以下问题： ③当 J = 0，表明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，这一结论仅适合于下坡扩散的情况。 ④ 在扩散第一定律中没有给出扩散与时间的关系，故此定律适合于描述 时的稳态扩散，即在扩散过程中系统各处的浓度不随时间变化。 ⑤ 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。 3.1.2 扩散第二定律 但实际的绝大部分扩散属于非稳态扩散 这时系统中的浓度不仅与扩散距离有关， 也与扩散时间有关， 即 当Δx→0，Δt→0时，上式则为 三维扩散在直角坐标系下的扩散第二定律式 3.1.3 扩散第二定律的解及其应用 一、误差函数解 适合于无限长或者半无限长物体的扩散。扩散物体长度比扩散区长得多 二、高斯函数解 （1）扩散过程中扩散元素质量保持不变 （2）扩散开始时扩散元素集中在表面，象一层薄膜，也称为薄膜解。 三、正弦解 适用于铸造合金中的晶内偏析 一、误差函数解 （1）无限长长物体的扩散 （2）半无限长物体的扩散 （1）无限长扩散偶的扩散 初始条件和边界条件分别为 t＝0时： t≥0时： 针对误差函数解几点讨论 （2）半无限长物体的扩散 列出此问题的初始和边界条件分别为 t＝0时： t＞0时： 对于渗碳问题：常常规定给定碳浓度值C为渗碳层的界限，则 二、高斯函数解(薄膜解） 将坐标原点x＝0选在薄膜处，原子扩散方向x垂直于薄膜，确定薄膜解的初始和边界条件分别为 t＝0时： t≥0时： 二、高斯函数解(薄膜解） 三、正弦解 Cx,t=Cp+A0sin(πx/λ)exp(-π2Dt/λ2) Cp:平均成分；A0：振幅Cmax- Cp；λ:晶粒间距的一半。 例：对于均匀化退火，若要求晶粒中心成分偏析振幅降低到1/100,则： [C(λ／2,t)- Cp]/( Cmax-Cp) =exp(-π2Dt/λ2)=1/100 §3.2 扩散的微观理论与机制 3.2.1 原子跳动和扩散距离 上式建立了扩散的宏观位移量与原子的跳动频率、跳动距离等微观量之间的关系， 并表明根据原子的微观理论导出的扩散距离与时间的关系也呈抛物线规律。 3.2.2 原子跳动和扩散系数 式中，d和P决定于晶体结构类型，Γ除了与晶体结构有关外，与温度关系极大。 重要意义在于，建立了扩散系数与原子的跳动频率、跳动几率以及晶体几何参数等微观量之间的关系。 爱因斯坦方程 对于不同的晶体结构，