材科+第四章-固体中原子和分子的运动.ppt

对立方对称晶体，可假设所有跃迁矢量的大小都相等 跳跃是随机的，对任一矢量方向的跳跃都具有相同的频率，对任一矢量都有一个反向矢量对应，余弦项平均值为0 考虑3维跃迁 P=1/6 与扩散方程推导结果一致 影响扩散的因素 1.温度 温度是影响扩散速率的主要因素，温度越高，原子热激活能越大，扩散系数越大 2.固溶体类型 间隙、置换 3.晶体结构 溶质在致密度低的晶体中的扩散速率大于致密度高的晶体；固溶体溶 解度大，有利于促进扩散；晶体的对称性越低，扩散各向异性越显著 4.晶体缺陷 晶界、表面和位错等晶体缺陷对扩散起着快速通道的作用 5. 化学成分 组元特性：结合键强度越大，扩散激活能越高 溶质的浓度 第三组元 6.应力的作用 应力梯度 反应扩散 通过扩散形成新相的现象称为反应扩散或相变扩散 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 离子晶体中的扩散 离子晶体中离子的扩散，只能进入同样电荷的位置，由于电中性的要求，只能依靠空位来进行 阳离子和阴离子空位同时产生，两种空位等量 为形成一对肖特基空位的形成能 A为振动熵决定的参数，一般为1 弗兰克尔型无序态 同时存在间隙阳离子和阴离子空位缺陷 当固体材料在恒压的电场中，材料的电子、离子将定向迁移而产生电流 在离子晶体中：离子的定向扩散 在金属晶体中：电子流动 当以间隙机制进行扩散时， 当以空位机制进行扩散时， f为空位机制扩散的相关因子，1 离子键的结合能大于金属键的结合能，扩散离子所需客服的壁垒比金属原子大的多，为了保持局部的电中性，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入具有同样电荷的位置，迁移距离较长，导致离子扩散速率远小于金属原子的扩散速率 阳离子扩散系数比阴离子大，因为阳离子失去电子，半径小于阴离子 组分缺陷 非化学计量配比的化合物中，由于晶体化学组成的偏离，形成离子空位或是间隙离子等晶格缺陷成为组分缺陷。这些晶格缺陷的种类、浓度将给材料的电导带来很大的影响。 阳离子空位 金属氧化物MnO,FeO,CoO, NiO等由于氧过剩，通常写为M1-δO。 δ 值取决于温度和周围氧分压的大小，并因物质种类而异。在平衡状态下，缺陷化学反应如下： 在这些金属氧化物中，阳离子通常为正二价，一旦氧过剩，为了保持电中性条件，一部分阳离子变成正三价，可以视为二价阳离子俘获一个空穴，形成弱束缚空穴。通过热激活，极易放出空穴而参与电导，从而形成p型半导体。其能带结构如下图所示： 氧过剩型非化学计量配比氧化物的能带结构 在能带间隙内形成受主能级，这些空位的电离在价带顶部产生空穴，从而形成p型半导体。 阴离子空位 TiO2等金属氧化物，在还原气氛焙烧时，还原气氛夺取了TiO2中的部分氧在晶格中产生氧空位。每个氧离子在离开晶格时要交出两个电子。这两个电子可将两个Ti4+还原成Ti3+，但三价离子不稳定，会恢复四价放出两个电子 式中□为氧离子缺位。由于氧离子缺位，分子式表达为TiO2-δ。上述反应的缺陷平衡式为 氧离子空位相当于一个带正电荷的中心，能束缚电子。被束缚的电子处于氧离子空位上，为最邻近的Ti4+所共有，它的能级距导带很近，如下图所示： 氧不足型非化学计量配比氧化物的能带结构 当受激发时，氧空位束缚的电子可跃迁到导带中去，因为既有导电能力，形成n型半导体。 作业 1.一块w (C)=0.1%的碳钢在930℃渗碳，渗到0.05cm的地方，碳的浓度达到0.45%。在t＞0的全部时间，渗碳气氛保持表面成分1%，假设Dcγ=2.0×10-5 exp (-140 000/RT)(m2/s), ① 计算渗碳时间 ② 若将渗碳层加深一倍，则需要多长时间？ ③若规定w (C)=0.3%作为渗碳层厚度的量度，则在930 ℃渗碳10h的渗层厚度为870 ℃时渗碳10h的多少倍？ 作业 2.在一个富碳的环境中对钢进行渗碳，可以硬化钢的表面。已知在1000 ℃下进行这种渗碳处理，距离钢的表面1～2mm处，碳原子含量从x=5%减到x=4%.估计在近表面区域进入钢的碳原子的流入量J(atom/m2s)。（γ-Fe在1000 ℃ 的密度=7.63g/cm3,碳在γ-Fe 中的扩散系数D0=2.0×10-5 m2/s ，激活能Q=142kJ/mol) 3.对于晶界扩散和体内扩散，假定扩散激活能Q晶界≈1/2 Q体积,试画出其lnD相对倒数1/T的曲线，并指出越在哪个温度范围内晶界扩散起主导作用？ 4.已知Al在Al2O3中D0（Al）=2.0×10-5 m2