固体中原子的扩散.ppt

4/12/2017 4:51:09 AM 1第四章第四章固体中原子及分子的运动固体中原子及分子的运动 4/12/2017 4:51:10 AM 2概述概述扩散扩散(diffusion) (diffusion) 原子或分子的迁移现象称为扩散。扩散的本质是原子依靠热运动从一个位置迁移到另一个位置。扩散是固体中原子迁移的唯一方式。一、扩散现象和本质一、扩散现象和本质柯肯达尔效应( 柯肯达尔效应( kirkendall kirkendall effect effect ) ) 激活能( 激活能( activation energy activation energy ) ) 跃迁( 跃迁( jump migration jump migration ) ) 醉步醉步( (无规则行走无规则行走) )( (Random walk Random walk ) ) 4/12/2017 4:51:10 AM 3 二、固态金属扩散的条件二、固态金属扩散的条件由于固态金属中原子间结合力比气体、液体大得多,其扩散也不易、需具备下列条件才能扩散: 1 1 、温度( 、温度( T T )要足够高)要足够高只有 T 足够高,才能使原子具有足够的激活能,足以克服周围原子的束缚而发生迁移。如 Fe 原子在 500 ℃以上才能有效扩散,而 C 原子在 100 ℃以上才能在 2 、时间、时间(t) (t) 要足够长要足够长扩散原子在晶格中每一次最多迁移 ~ m 的距离,要扩散 1㎜的距离,必须迁移近亿次。 3 3 、扩散原子要能固溶、扩散原子要能固溶扩散原子在基体金属中必须有一定的固溶度, 能溶入基体组元晶格, 形成固溶体, 才能进行固态扩散。 4 4 、扩散要有驱动力( 、扩散要有驱动力( driven force driven force ) ) 实际发生的定向扩散过程都是在扩散驱动力作用下进行的( 化学势差: 在等温等压条件下, 只要两个区域中各组元存在化学势差, 就能产生扩散,直至化学势差为零)。 4/12/2017 4:51:10 AM 4 三、固态扩散的分类三、固态扩散的分类 1 1、按浓度变化、按浓度变化自扩散( self-diffusion): 例如:纯金属晶粒长大过程及均匀溶体的晶粒长大等,不伴有浓度变化的扩散,与浓度梯度(concentration gradientd )( dρ/dx )无关,与热振动有关. 互(异)扩散(mutual diffusion): 例如:化学热处理;材料成分均匀化,伴有浓度变化的扩散。互扩散与异类原子的浓度差有关,是异类原子的相对扩散、相互渗透。 2 2、按是否与浓度梯度( 、按是否与浓度梯度( concentration gradient concentration gradient )一致)一致上坡扩散(uphill diffusion): 向浓度高的方向扩散下坡扩散(downhill diffusion): 向浓度低的方向扩散 3 3 、按是否出现新相、按是否出现新相原子扩散(atomic diffusion): 没有新的相生成反应扩散(reaction diffusion): 扩散过程中新的相生成 4/12/2017 4:51:10 AM 表象理论表象理论 Fick Fick 第一定律第一定律 Fick Fick 第一定律( 第一定律( Fick Fick ’’ s first law s first law ) ) 描述在稳态条件下的扩散( steady state diffusion steady state diffusion ) , 即各处浓度不随时间变化,只随距离变化而变化. 内容:在单位时间内通过垂直扩散方向的单位截面积上的扩散物质通量扩散物质通量(diffusion fluxes) (diffusion fluxes) : J = -Ddρ/dx 扩散系数扩散系数 D D( ( diffusion coefficient diffusion coefficient ) ): : 描述扩散速度的物理量。它等于浓度梯度(concentiontration gradient) 为1 时在 1 秒内通过 1 ㎡面积的物质质量或原子数。 D越大,则扩散越快. 4/12/2017 4:51:10 AM 6 Fick Fick 第二定律第二定律 Fick Fick 第二定律( 第二定律( Fick Fick ’’ s second law s second law ) )描述非非稳态扩散( 稳态扩散( non non ——stea