固体子的扩散.ppt

第四章固体中原子及分子的运动
6/30/2017
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概述
扩散(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
柯肯达尔效应(kirkendall effect)
激活能(activation energy)
跃迁(jump migration)
醉步(无规则行走)(Random walk)
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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、温度(T)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Fe中扩散.
2、时间(t)~ m的距离,要扩散1㎜的距离,必须迁移近亿次。
3、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、扩散要有驱动力(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)。
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三、固态扩散的分类
1、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、按是否与浓度梯度(concentration gradient)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、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
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表象理论 Fick第一定律
Fick第一定律(Fick’ s first law)描述在稳态条件下的扩散(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(diffusion fluxes)与该截面处的浓度梯度成正比.
表达式: J = -Ddρ/dx
扩散系数D(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.
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Fick第二定律
Fick第二定律(Fick’ s second law)描述非稳态扩散(non—steady state diffusion)。在扩散过程中各处的浓度都随时间变化而变化,因而通过各处的扩散流量不再相等而随距离和时间发生变化。
表达式: (P130)
※若D与浓度无关则表达式: (P130)
※三维扩散情况且D是各向同性则表达式:
扩散是由于浓度梯度引起称为化学扩散。扩散是由于热振动而产生的称为自扩散。
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扩散方程的解—应用
第一定律——求解一阶微分方程
第二定律——设置中间变量求通解(高斯解 Gauss solution、误差函数解error function solution、正玄解 sinusoidal solution) ,解微分方程初始条件,边界条件求方程式。
(diffusion couple)-焊接过程
解微分方程→引入中间变量和误差函数→求通解() →边界条件和初始条件→求特解(、)
焊接面垂直于x轴,在加热和保温不同时间,焊接面(x=0)附近的质量浓度将发生不同程度的变化. (P131 )
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-表面热处理过程
求解方法同上,特解为(、 )
工业生产中,(Car