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材料科学基础--扩散课件
第三章 固体中的扩散
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扩散的现象与本质
物质传输方式:对流,扩散
与流体中的粒子类似,部分原子通过自身的热振动可以迁移它处。
扩散本质:由于分子(原子)无序跃迁(热运动、布朗运动)而引起的物质迁移现象。
扩散不是原子的定向移动,而是无序运动的统计结果。
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实际材料中的扩散举例
成分均匀化-如金属铸件的凝固及均匀化退火。
变形材料的处理-冷变形金属的回复和再结晶。
陶瓷材料制备-陶瓷或粉末冶金的烧结。
固态相变-扩散型相变。
材料表面改性-各种表面处理、半导体材料的掺杂等。
扩散是固体材料中的一个重要现象,材料中的许多物理化学过程与其有关,因此,扩散成为材料科学的主要内容之一。
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扩散的分类
(1)根据有无浓度变化
自扩散:原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散。
(如纯金属或固溶体的晶粒长大。无浓度变化。)
互扩散:原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散。
(有浓度变化)
(2)根据扩散方向
下坡扩散:原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。
造成浓度均匀化
上坡扩散:原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散。
造成浓度差异
(3)根据是否出现新相
原子扩散:扩散过程中不出现新相。
反应扩散:由之导致形成一种新相的扩散。
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固态扩散的条件
扩散与原子热运动(点缺陷的运动)相关,因此必须在满足以下条件才能实现
(1)温度足够高;
(2)时间足够长;
对于互扩散,还要满足
(3)扩散原子能固溶;
(4)具有驱动力:化学位梯度。
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扩散方程
扩散的微观机制
扩散的热力学
反应扩散
影响扩散系数的因素
本章主要内容
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3.1 扩散方程
(对于互扩散)
扩散时,虽然单个原子的热运动是完全随机的,但是宏观上往往表现出有方向性的物质传输,如浓度变化。
说明一定有某种推动力存在
扩散方程反映了浓度与扩散量之间的关系。
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(1)扩散第一定律
1855年Adolf Fick在实验基础上,提出经验规律-扩散第一定律,扩散原子的扩散通量与浓度梯度成正比:
J 扩散通量,单位时间通过垂直于扩散方向单位截面积的物质量;如mol/s.m2
D 扩散系数;量纲如m2/s
C 溶质浓度,如mol/m3
— 表示扩散方向与浓度梯度方向相反。
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如果浓度梯度随时间变化,扩散通量不是常数,使用第一定律就不太方便;
这时需要利用第一定律的推论-扩散第二定律。
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(2)扩散第二定律
Ⅰ、Ⅱ为垂直于扩散方向x的两个单位截面,相距dx;
J1和J2分别为扩散时进入和流出两截面的扩散通量。
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这样在扩散过程中,单元体中溶质积累速率
三维情况下
如果D与浓度无关
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(3) Fick第二定律的解
非稳态扩散方程是偏微分方程,解的形式与边界条件、初始条件等有关。
一般需要数值求解;
但是,在边界条件、初始条件较简单时,可以求出解析解。
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误差函数解
设扩散系数D是常数;
初始条件:t=0时,
x0,C=C1,
x0, C=C2
边界条件:t≥0时, x=∞,C=C1
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