第五章 材料中的擴散課件

第六章材料中的擴散由于熱運動而導(dǎo)致原子（或分子）在介質(zhì)中遷移的現(xiàn)象稱為擴散。研究擴散的意義:擴散是在固體中質(zhì)量傳輸?shù)奈ㄒ煌緩?；擴散是影響材料的微觀組織和性能的重要過程因素。擴散對于材料的加工過程具有重要影響1第五章材料中的擴散第一節(jié)擴散概述一擴散的現(xiàn)象與本質(zhì)擴散：熱激活的原子通過自身的熱振動克服束縛而遷移它處的過程。擴散現(xiàn)象：柯肯達爾效應(yīng)。擴散本質(zhì)：原子無序躍遷的統(tǒng)計結(jié)果。（不是原子的定向移動）。2第五章材料中的擴散二擴散的分類1根據(jù)有無濃度變化自擴散：原子經(jīng)由自己元素的晶體點陣而遷移的擴散。（如純金屬或固溶體的晶粒長大。無濃度變化。）互擴散：原子通過進入對方元素晶體點陣而導(dǎo)致的擴散。（有濃度變化）2根據(jù)擴散方向下坡擴散：原子由高濃度處向低濃度處進行的擴散。上坡擴散：原子由低濃度處向高濃度處進行的擴散。3第五章材料中的擴散3根據(jù)是否出現(xiàn)新相原子擴散：擴散過程中不出現(xiàn)新相。反應(yīng)擴散：由之導(dǎo)致形成一種新相的擴散。

3固態(tài)擴散的條件（1）溫度足夠高；（2）時間足夠長；（3）擴散原子能固溶；（4）具有驅(qū)動力：化學(xué)位梯度。4第五章材料中的擴散第二節(jié)擴散定律一菲克(FickA)第一定律1第一定律描述：單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的某一單位面積截面的擴散物質(zhì)流量（擴散通量J）與濃度梯度成正比。2表達式：J=-D(dc/dx)。（C－溶質(zhì)原子濃度；D-擴散系數(shù)。）5第五章材料中的擴散3適用條件：穩(wěn)態(tài)擴散--dc/dt=0,濃度及濃度梯度不隨時間改變。負(fù)號的含義：擴散方向與濃度梯度相反。二菲克第二定律

一般：

C/

t=

(D

C/

x)/

x

一維（1）表達式特殊：

C/

t=D

2C/

x2

三維

C/

t=D(

2/

x2+

2/

y2+

2/

z2)C

（2）適用條件穩(wěn)態(tài)擴散：

C/

t=0，

J/

x=0。

非穩(wěn)態(tài)擴散:

C/

t≠0,

J/

x≠0（

C/

t=－

J/

x）6第五章材料中的擴散菲克第二定律的一維表達式擴散系數(shù)D一般與濃度c有關(guān)

。若無關(guān)則有7第五章材料中的擴散三科肯道爾（Kirkendall）效應(yīng)1科肯道爾現(xiàn)象置換方式進行擴散的過程。（雙向互擴散過程）(銅鎳的互擴散。兩種原子的尺寸接近,擴散以置換互熔的方式進行)上述擴散出現(xiàn)兩種情況：1界面不移動，2界面移動原因：擴散速率不同，擴散系數(shù)不同。8第五章材料中的擴散2達肯方程假設(shè)（1）組元間的擴散互不干涉（2）擴散過程中空位濃度保持不變（3）擴散驅(qū)動力為濃度梯度1）自擴散

純物質(zhì)晶體中的擴散稱自擴散。特點：不存在濃度梯度，自擴散產(chǎn)生晶體中原子的無規(guī)律隨機運動。2）稀固溶體9第五章材料中的擴散第三節(jié)擴散的微觀機理與現(xiàn)象一擴散機制1間隙機制 間隙－間隙； 平衡位置－間隙－間隙：較困難； 間隙－篡位－結(jié)點位置。（間隙固溶體中間隙原子的擴散機制。）10第五章材料中的擴散11第五章材料中的擴散2空位機制方式：原子躍遷到與之相鄰的空位；條件：原子近旁存在空位。（金屬和置換固溶體中原子的擴散。）在自擴散或置換原子參與的擴散（置換擴散）過程中，擴散原子離開自己的點陣位置去填充空位，而原先的點陣位置形成了新的空位。

該機制形成科肯道而效應(yīng)12第五章材料中的擴散本應(yīng)處于點陣位置的原子有時會出現(xiàn)在間隙位置。它們將鄰近點陣原子擠到間隙中，并取而代之。

3填隙機制3換位機制直接換位（所需能量較高）

環(huán)形換位（所需能量較高。）特點：以此類機制換位的結(jié)果必然是通過界面流入和流出的原子數(shù)目相等，不可能產(chǎn)生科肯道爾效應(yīng)13第五章材料中的擴散二、原子熱運動與晶體中的擴散1原子擴散的阻力宏觀擴散流是由大量原子遷移產(chǎn)生的，而原子遷移則是其熱運動的統(tǒng)計結(jié)果。擴散的阻力：原子推開某些鄰近的原子引起瞬間畸變。即能壘

14第五章材料中的擴散2原子擴散和熱運動的關(guān)系假設(shè)條件①在給定條件下發(fā)生擴散的溶質(zhì)原子跳到其相鄰位置的頻率（簡稱越遷頻率）為Г；②任何一次溶質(zhì)原子跳到使其從一個界面I越遷至相鄰晶面的幾率為p；③晶面I和II上的擴散原子的面密度分別為n1和n2，則依據(jù)統(tǒng)計規(guī)律可知：晶面I越遷至晶面II的原子晶面II越遷至晶面I上的原子

15第五章材料中的擴散則擴散系數(shù)：則擴散通量：16第五章材料中的擴散3原子躍遷的距離假設(shè)：①只允許原子做距離為的越遷；②原子在每個方向上越遷幾率相等。即每次越遷與前一次越遷無關(guān)。則原子躍遷距離表示為：4原子擴散的激活能與擴散系數(shù)擴散激活能Q：原子躍遷時所需克服周圍原子對其束縛的勢壘。間隙擴散擴散激活能與擴散系數(shù)的關(guān)系D=D0exp(-Q/RT)D0：擴散常數(shù)。17第五章材料中的擴散空位擴散激活能與擴散系數(shù)的關(guān)系

D=D0exp(-△E/kT)△E=△Ef(空位形成功)+△Em（空位遷移激活能）18第五章材料中的擴散三界面擴散通過晶界或者相界的擴散。（前述為體擴散）特點：1）晶體表面，原子沿表面的遷移受周圍點陣原子的作用較小，因此具有更大的可動性2）DL<DB<DS,DL,DB,DS分別表示體擴散，晶界擴散和表面擴散的擴散系數(shù)。19第五章材料中的擴散第四節(jié)擴散驅(qū)動力一擴散驅(qū)動力通常認(rèn)為是濃度梯度，但有許多現(xiàn)象違背上述結(jié)論。根據(jù)熱力學(xué)理論，在本質(zhì)上擴散的真正驅(qū)動力是化學(xué)位梯度。

化學(xué)位梯度真正驅(qū)動力20第五章材料中的擴散

對于多元體系，設(shè)n為組元i的原子數(shù)，則在等溫等壓條件下，組元i原子的自由能可用化學(xué)位表示：μi=

G/

ni擴散的驅(qū)動力為化學(xué)位梯度，即F=-

μi/

x負(fù)號表示擴散驅(qū)動力指向化學(xué)位降低的方向。二擴散系數(shù)擴散阻力：基體原子對擴散原子的阻力組元i原子的平均移動速率vi和驅(qū)動力之間存在如下關(guān)系組元原子遷移率，即單位驅(qū)動力作用下組元i原子的運動速率。

21第五章材料中的擴散組元i的擴散通量與其濃度及宏觀平均運動速率之間關(guān)系同一擴散過程菲克第一定律也應(yīng)成立溶液熱力學(xué)組元i的擴散系數(shù)可表示為Di=KTBi(1+

ln

i/

lnxi)其中，(1+

ln

i/

lnxi)稱為熱力學(xué)因子。當(dāng)(1+

ln

i/

lnxi)<0時，DI<0,發(fā)生上坡擴散。22第五章材料中的擴散三上坡擴散概念：原子由低濃度處向高濃度處遷移的擴散。驅(qū)動力：化學(xué)位梯度。其它引起上坡擴散的因素：（1）彈性應(yīng)力的作用－大直徑原子跑向點陣的受拉部分，小直徑原子跑向點陣的受壓部分。（2）晶界的內(nèi)吸附：某些原子易富集在晶界上。（3）電場作用：大電場作用可使原子按