第四章 原子及分子的运动-白底.ppt

第四章 固体中原子及分子的运动 李怀勇 聊城大学材料科学与工程学院 与扩散相关的材料学过程 1. Carburisation Carburisation is the process by which carbon is diffused into the surface of steel in order to increase its hardness. 4. 材料的固态相变，高温蠕变等 5. 金属的凝固、退火、回复再结晶等 6. 陶瓷或粉末冶金的烧结 学习目标 (Aims) Understand Fick’s laws and what factors will determine the rate at which diffusion occurs. Understand how diffusion occurs, and what the driving force behind it is. Understand the effects on diffusion. Be familiar with why diffusion is important to a range of applications. 扩散现象的研究方法 4.1　表象理论 4.1.1 菲克第一定律 4.1.2 菲克第二定律 4.1.3 扩散方程的解 4.1.4 置换型固溶体中的扩散（达肯方程） 4.1.5 扩散系数的求解（俣野法） 扩散偶实例： 将其加热至高温并长时间保温后，高浓度一端必然向低浓度端方向迁移，沿长度方向浓度逐渐变缓，最后趋于一致。 Fick第一定律的数学表述 4.1.2 Fick第二定律 扩散过程中，任一点浓度随时间变化的问题。 即： Fick定律的几点讨论： 公式是唯象的关系式，不涉及微观过程。 D反映了整个扩散系统的特性，并不仅仅取决于某一种组元的特性。 第一定律描述了一种稳态扩散过程；第二定律描述了非稳态扩散过程。 稳态扩散：是指在垂直扩散方向的任一平面上，单位时间内通过该平面单位面积的物质质量一定，即任一点的浓度不随时间而变化，J=const。非稳态扩散：是指扩散物质在扩散介质中浓度随时间发生变化。扩散通量与位置有关。 化学扩散－－由浓度梯度引起 自扩散－－仅由热振动引起 4.1.3 扩散方程的解 三种类型 1、两端成分不受扩散影响的扩散偶 2、一端成分不受扩散影响的扩散体 3、衰减薄膜源 1、两端成分不受扩散影响的扩散偶 1）无限长A、B合金棒，各截面浓度均匀，浓度ρ 2ρ 1 2）两合金棒对焊，扩散方向为x方向 3）合金棒无限长，棒的两端浓度不受扩散影响 4）扩散系数D是与浓度无关的常数 初始条件及边界条件 在界面处，erf(0)=0。则有 即界面上质量浓度始终保持不变 若焊接面右侧棒的原始质量浓度为零时，则公式简化为： 2、一端成分不受扩散影响的扩散体 C质量分数为0.1%的低碳钢，置于碳质量分数为1.2%的渗碳气氛中，在920℃下进行渗碳，如要求离表面 0.002m处碳质量分数为0.45%，问需要多少时间？ 3、衰减薄膜源 小结 一、Fick定律 1、第一定律：稳态（不含时） 2、第二定律：非稳态（含时） 二、扩散方程的解： 1、两端成分不受扩散影响的扩散偶 2、一端成分不受扩散影响的扩散体 3、衰减薄膜源 三、两个问题 1、扩散由浓度差引起，结果是使体系均匀 2、不同种物质的扩散系数相同，且为常数 4.1.4、置换型固溶体中的扩散 1、置换型固溶体中扩散特征-柯肯达尔效应 2、柯肯达尔效应产生原因（定性分析） 3、柯肯达尔效应的理论及实际意义 4、柯肯达尔效应的定量分析-达肯公式 5、达肯公式和菲克定律之间的关系 在Cu-Au、Cu-Ni、Cu-Sn、Ni-Au、Ag-Cu、Ag-Zn等置换式固溶体中都会发生此现象。 而且标志物总是向着低熔点组点较多的一方移动。 另一角度分析： 在互扩散中，低熔点组元锌和空位的亲和力大，这样在扩散过程中流入到黄铜中的空位就大于从黄铜流入到铜中的空位数量。 即存在一个从铜到黄铜的净空位流，也相当于往外迁移的原子多，结果造成了中心区晶体整体收缩，从而造成钼丝的内移。 3、柯肯达尔效应的理论和实际意义 1、直接否定了置换式固溶体的换位机制，支持空位机制。 2、说明，在扩散系统中，每一种组元都有自己的扩散系数，由于JZnJCu，因此DZnDCu。 3、不利影响。电子器件中，大量的布线、接点、电极等，要在较高温度下工作很长时间。上述效应会引起断线、击穿等 4、利用Kirkendall效应做材料 ZnAl2O4纳米管 ZnAl2O4纳米管TEM照片 4、达肯公式-柯肯达尔效应的定量分析 3个D间的相互关系： 假设扩散过程中，晶格常数，摩尔浓度，横截面积不变。 5、达肯公式