第四章 固体中原子及分子的运动2.pptVIP

4.3 扩散的原子理论 扩散机制 扩散机制：均匀固溶体中间隙机制和空位机制最主要。 1）间隙机制 间隙固溶体中，小尺寸溶质原子C、N、H、B、O，间隙至间隙扩散 间隙原子跃迁，从一个间隙到另一个间隙需克服势垒 （2）空位机制： 方式：原子跃迁到与之相邻的空位 条件：原子近旁存在空位 （金属和置换固溶体中原子的扩散） （3）换位机制： 直接换位 环形换位（所须能量较高） 4.3.2 原子跳跃和扩散系数 扩散系数 4.4 扩散激活能 扩散激活能的实验求解 4.5 无规则行走和扩散距离 温度对扩散系数的影响 固溶体类型 晶体结构 晶体结构对扩散系数的影响 固溶度对扩散速率的影响 晶体缺陷 化学成分 原子结合力和溶质浓度 扩散方向 应力作用 4.7 反应扩散 Fe-N相图分析 Fe表面渗氮的氮含量和组织 4.8 离子晶体中的扩散 离子晶体中的晶体缺陷 非化学计量化合物中的缺陷 离子扩散机制 电导率与扩散系数的关系 离子晶体的电导机制 离子晶体扩散的特点 本章结束！ 非化学计量化合物的缺陷包括： 阳离子缺位、阴离子缺位、阳离子间隙和阴离子间隙 主要是空位扩散 间隙机制扩散： 空位机制扩散： C为单位体积上的某一类型的离子数，qi为离子电荷 f为空位机制扩散的相关因子（f1） 离子晶体的电导机制：离子电导 本征电导：源于晶体 中基本离子的运动， 在高温特别显著。 杂质电导：弱的离子 运动造成的，主要是 杂质离子，在低温是 表现显著。 * * 4.3.1 固体扩散机制 与气体、液体不同的是固体粒子间很大的内聚力使粒子迁移必须克服一定势垒，这使得迁移和混和过程变得极为缓慢。然而迁移仍然是可能的。但是由于存在着热起伏，粒子的能量状态服从波尔兹曼分布定律。如图所示. 图 粒子跳跃势垒示意图 易位扩散： 如(a)；环形扩散： 如(b)；间隙扩散： 如?；准间隙扩散：如(d)；空位扩散： 如(e)。 扩散的微观机制 原子跳跃频率与扩散系数的关系： 式中，P为原子朝某一方向跳跃的几率；d为原子面间距； 为原子跳跃频率。 P和d取决于物体的固有结构， 除了与物体的固有结构有关外，跟温度也有密切关系 间隙型扩散的扩散系数： 式中，v为原子的振动频率；z为间隙配位数；D0称为扩散常数；?U是间隙扩散时溶质原子跳跃所需额外的热力学内能，该迁移能等于间隙原子的扩散激活能Q 空位型扩散的扩散系数： 式中，v为原子的振动频率；z为间隙配位数；D0称为扩散常数；?U是原子迁移能； ?Uv是空位形成能；Q是扩散激活能。 上述式的扩散系数都遵循阿累尼乌斯（Arrhenius）方程： 式中，R为气体常数，其值为8.314J/(mol K)；Q代表每摩尔原子的激活能，T为绝对温度。由此表明，不同扩散机制的扩散系数表达形式相同，但D0和Q值不同。 当晶体中的原子以不同方式扩散，所需的扩散激活能Q值是不同的。在间隙扩散机制中，Q=ΔU；在空位扩散机制中，Q=ΔU+ΔUV。除此外，还有晶界扩散、表面扩散、位错扩散，它们的扩散激活能是各不相同的，因此，求出某种条件的扩散激活能，对于了解扩散的机制是非常重要的。 目前，求解扩散激活能是通过建立扩散系数和温度的关系求得。 扩散方程 其对数表达式为 D0和Q与温度无关 Q=-Rtan?， ?用 求得 如果扩散原子是直线运动，那么原子行走的距离应与时间成正比，但前述的计算表明，其与时间的平方根成正比，由此推断扩散原子的行走很可能像花粉在水面上的布朗运动那样，原子可向各个方向随机地跳跃，是一种无规则行走（random walk）。 因为原子的跃迁是随机的，每次跃迁的方向与前次跃迁方向无关，对任一矢量方向的跃迁都具有相同的频率。 原子平均迁移值的距离为： 式中，n为原子跳跃的次数；r为每次跳跃的距离 将 D = Pd2 ，P=1/6, d=r, =n/t代入可得 由此可见，原子的扩散是一种无规则行走，扩散距离与扩散时间的平方根成正比。 4.6 影响扩散系数的因素 温度 固溶体类型 晶体结构 晶体缺陷 化学成分 应力作用 温度是影响扩散速率的最主要因素。温度越高，原子热激活能量越大，越易发生迁移，扩散系数越大。 C在?－Fe中的扩散，当温度有1200K提高到1300K时，其扩散系数提高了3倍。 不同类型的固溶体，原子的扩散机制是不同的。 间隙固溶体的扩散激活能一般均较小，例如，C，N等溶质原子在铁中的间隙扩散。 置换固溶体：如Cr，Al等溶质原子在铁中的扩散。 因此，钢件表面热处理在获得同样渗层浓度时，渗C，N比渗Cr或Al等金属的周期短。 晶体结构对扩散的影响包括3个方面： 扩散系数 固溶度 扩散的各向异性 有些金属存在同素异构转变，当它们的晶体