固體中原子以及分子運動

1、關(guān)于固體中原子及分子的運動第一張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月擴散過程的分類按濃度：互擴散，自擴散按方向：順擴散，逆擴散按路徑：體擴散，表面擴散，晶界擴散第二張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月怎樣研究擴散表象理論:原子理論:影響因素:實際應(yīng)用:第三張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月7.1 表象理論（擴散方程） 完全混合部分混合時間加入染料水第四張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月Fe-C合金碳源固體物質(zhì)間的擴散第五張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月高碳含量區(qū)域低碳含量區(qū)域碳的擴散方向Fe-C合金碳源第六張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月7.1.1

2、 菲克第一定律(Ficks first law)J=-Dddx穩(wěn)態(tài)擴散J: 擴散通量(mass flux), kg/(m2s)D: 擴散系數(shù)(diffusivity), m2/s: 質(zhì)量濃度，kg/m3 : 濃度梯度12dxJ(12)第七張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月7.1.2 菲克第二定律大多數(shù)擴散過程是非穩(wěn)態(tài)擴散過程，某一點的濃度是隨時間而變化的，這類過程可由菲克第一定律結(jié)合質(zhì)量守恒條件導出來處理。下式為菲克第二定律：該方程稱為菲克第二定律或擴散第二定律。如果假定D與濃度無關(guān)，則上式可簡化為：菲克第二定律普遍式為:第八張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月不同坐標系中的菲克

3、第二定律 柱坐標系中:柱對稱擴散, D與濃度無關(guān)菲克第二定律的表達應(yīng)用: 分析純鐵空心圓筒的高溫滲碳問題。 球坐標系中:球?qū)ΨQ擴散, D與濃度無關(guān)菲克第二定律的表達 應(yīng)用: 分析過飽和固溶體析出第二相的過程。第九張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月7.1.3 菲克擴散定律的應(yīng)用模型:氫通過金屬膜的擴散達到穩(wěn)態(tài)時的邊界條件: C(x=0)=C2 C(x=)=C1 求解結(jié)果:氫在金屬膜的濃度為線性分布第十張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月平視方向俯視方向應(yīng)用：測定碳在-Fe中的擴散系數(shù)2r2l2r12r12r2lr1000CC第十一張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月穩(wěn)態(tài)時:

4、單位時間內(nèi)通過半徑為r(r2r0)=C1 C(t=0,x0,x=)=C1 C(t0,x=-)=C2求解結(jié)果:第十四張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月模型:一端成分不受擴散影響的擴散體邊界條件: C(t=0,x0)=C0 C(t0,x=0)=Cs C(t0,x=)=C0求解結(jié)果:假定滲碳一開始，滲碳源一端表面就達到滲碳氣氛的碳質(zhì)量濃度rs，則：第十五張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月模型:衰減薄膜源 在金屬B的長棒一端沉積一薄層金屬A，將這樣的兩個樣品連接起來，就形成在兩個金屬B棒之間的金屬A薄膜源，然后將此擴散偶進行擴散退火，那么在一定的溫度下，金屬A溶質(zhì)在金屬B棒中的濃度將隨

5、退火時間t而變。 求解結(jié)果:當擴散系數(shù)與濃度無關(guān)時，這類擴散偶的方程解是： 第十六張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月7.1.4 柯肯達爾效應(yīng) 柯肯達爾實驗描述黃銅與銅構(gòu)成擴散偶;鉬絲僅為參照物,不擴散;黃銅熔點低于銅;擴散組元為銅和鋅;銅和鋅構(gòu)成置換式固溶體;擴散在785C進行。 柯肯達爾實驗結(jié)果第十七張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月實驗結(jié)果的分析討論假設(shè)銅、鋅的擴散系數(shù)相等，相對鉬絲進行等原子的交換，由于鋅的原子尺寸大于銅，擴散后外圍的銅點陣常數(shù)增大，而內(nèi)部的黃銅點陣常數(shù)縮小，使鉬絲向內(nèi)移；如果點陣常數(shù)的變化是鉬絲移動的唯一原因，那么移動的距離只應(yīng)該有觀察值的十分之一左右；

6、實驗結(jié)果只能說明，擴散過程中鋅的擴散流要比銅的擴散流大得多，這個大小的差別是鉬絲內(nèi)移的主要原因；而且還發(fā)現(xiàn)標志面移動的距離與時間的平方根成正比；在Cu-Sn， Cu-Ni， Cu-Au， Ag-Au， Ag-Zn， Ni-Co，Ni-Cu，Ni-Au等置換式固溶體中都會發(fā)生這種現(xiàn)象；標志物總是向著含低熔點組元較多的一方移動。相對而言，低熔點組元擴散快，高熔點組元擴散慢。正是這種不等量的原子交換造成了克根達耳效應(yīng)。第十八張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月7.2 擴散的原子理論原子行走與擴散第十九張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月示蹤原子第二十張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年

7、6月主要的擴散機制交換機制間隙機制空位機制界面擴散空位機制第二十一張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月擴散與原子的隨機行走晶體中原子的行走是隨機的 方向 距離擴散系數(shù)與原子行走間的關(guān)系 愛因斯坦方程第二十二張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月間隙固溶體：溶質(zhì)原子的擴散一般是從一個間隙位置跳躍到其近鄰的另一個間隙位置。間隙原子從位置1跳到位置2的能壘GG2-G1，因此只有那些自由能超過G2的原子才能發(fā)生跳躍。7.3 擴散系數(shù)的計算第二十三張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月所以有:式中D0為擴散常數(shù)；U是間隙擴散時溶質(zhì)原子跳躍所需額外的熱力學內(nèi)能，等于間隙原子的擴散激活能Q。上

8、述式的擴散系數(shù)遵循阿累尼烏斯（Arrhenius）方程：。第二十四張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月7.4 擴散激活能的計算當晶體中的原子以不同方式擴散，所需的擴散激活能Q值是不同的。在間隙擴散機制中，Q=U；在空位擴散機制中，Q=U+UV。除此外，還有晶界擴散、表面擴散、位錯擴散，它們的擴散激活能是各不相同的，因此，求出某種條件的擴散激活能，對于了解擴散的機制是非常重要的。根據(jù)擴散系數(shù)的一般表達式，有第二十五張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月7.5 影響擴散的因素溫度溫度是影響擴散速率的最主要因素。溫度越高，原子熱激活能量越大，越易發(fā)生遷移，擴散系數(shù)越大。固溶體類型 不同類型

9、的固溶體，原子的擴散機制是不同的。因此擴散激活能也不同。第二十六張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)對擴散有影響，有些金屬存在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，當它們的晶體結(jié)構(gòu)改變后，擴散系數(shù)也隨之發(fā)生較大的變化。例如鐵在912時發(fā)生-Fe-Fe轉(zhuǎn)變，-Fe的自擴散系數(shù)大約是-Fe的240倍。所有元素在-Fe中的擴散系數(shù)都比在-Fe中大，其原因是體心立方結(jié)構(gòu)的致密度比面心立方結(jié)構(gòu)的致密度小，原子較易遷移。晶體缺陷若以QL，QS和QB別表示晶內(nèi)、表面和晶界擴散激活能；DL，DS和DB分別表示晶內(nèi)、表面和晶界的擴散系數(shù)，則一般規(guī)律是：QLQBQS，所以DSDBDL。晶界、表面和位錯等對擴散起著快

10、速通道的作用，這是由于晶體缺陷處點陣畸變較大，原子處于較高的能量狀態(tài)，各種缺陷處的擴散激活能均比晶內(nèi)擴散激活能小，加快了原子的擴散。第二十七張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月成分的影響 (1)組元特性 原子在點陣中擴散需要克服能壘，即需要部分地破壞鄰近原子的結(jié)合鍵才能實現(xiàn)躍遷，因此擴散激活能必然和表征原子間結(jié)合力的微觀參量及宏觀參量有關(guān)。 從微觀參量講，固溶體中組元的原子尺寸相差愈大，畸變能就愈大，溶質(zhì)原子離開畸變位置進行擴散愈容易，則Q愈小，而D值愈大；組元間的親和力愈強，即負電性相差愈大，則溶質(zhì)原子的擴散愈難. 通常溶解度越小的元素擴散越容易進行。第二十八張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 應(yīng)力作用第二十九張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 不同金屬的自擴散激活能與其點陣的原子間結(jié)合力有關(guān)，因而與表征原子間結(jié)合力的宏觀參量，如熔點、熔化潛熱、體積膨脹或壓縮系數(shù)相關(guān)，熔點高的金屬的自擴散激活能必然大。第三十張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(2)組元濃度 一般來說,擴散系