材料科学第4章B.pptVIP

1 1 第4章 点缺陷和扩散 (2) 4.4 固态扩散 1. 扩散的宏观规律 Fick第一定律、 Fick第二定律及其应用、 Kirkendall效应、反应扩散 2. 扩散的热力学分析 3. 扩散的微观理论 原子的跃迁与扩散、扩散的微观机制、扩散激活能的测定等。 4. 影响扩散的因素 温度、晶体结构、缺陷、元素的性质、 扩散物质的浓度 一、扩散实例 原子所进行的这种短距离或长距离迁移微观过程以及由于大量原子迁移所引起的物质宏观流动过程，称之为“扩散”。 固体中原子迁移的唯一方式是扩散。 扩散过程的特点 微观特点：原子的热运动和跃迁杂乱无章。 宏观特点：大量原子的跃迁具有统计规律性。如存在浓度梯度时，会出现物质原子的定向迁移。 研究扩散的意义 金属的凝固 偏析 成分均匀化 各种扩散型固态相变 渗碳、脱碳 烧结 氧化 焊接 高温蠕变 扩散分类 (1)根据?C/?t分类 稳态扩散（ ?C/?t =0） 非稳态扩散（ ?C/?t ? 0） (2)根据?C/?x分类 ?C/?x=0 自扩散，在纯金属和均匀合金中进行 ?C/?x?0 互扩散，上坡扩散和下坡扩散 (3)根据扩散途径分类 体扩散、晶界扩散、表面扩散、 短程扩散(沿位错进行的扩散) (4)根据合金组织分类 单相扩散、多相扩散 Fick第一定律 扩散通量与质量浓度梯度成正比，即: J=D(C1-C2)/?x=-D(?C/?x) J为扩散通量，表示单位时间内通过垂直于扩散方向x的单位面积的扩散物质质量，其单位为g/(cm2?s)； D为扩散系数，单位为cm2/s； C是扩散物质的浓度，其单位为g/cm3。 式中的负号表示物质的扩散方向与质量浓度梯度方向相反。 公式适用范围：只适用于浓度梯度?C/?x不随时间变化的稳态扩散。 扩散系数D： D=D0e-Q/RT D与T成指数关系，随温度的升高，扩散系数急剧增大。这是因为： 温度升高，借助热起伏，获得足够能量而越过势垒进行扩散的原子的几率增大。 温度升高空位浓度增大，有利于扩散。 扩散激活能的求解： 举例 三、共价和金属晶体中的扩散机制 多晶体金属中，扩散物质可以沿金属表面、晶界、位错线发生迁移，分别被称为“表面扩散”、“晶界扩散”和“位错扩散”，扩散物质也可以在晶粒点阵内部发生迁移，被称为体扩散。 体扩散是固态金属中最基本的扩散途径，人们在这方面做了许多工作，先后提出了原子在点阵中迁移的各种机制，来说明扩散的基本过程。其中最基本的扩散机制是间隙机制和空位机制。 1.间隙扩散机制 间隙固溶体中溶质原子的扩散一般采用间隙机制进行。 扩散原子由所在间隙位置跳跃至另一相邻的间隙中。如C原子在Fe中的扩散过程。 间隙机制中的扩散系数D △G=G2-G1就是间隙原子跃迁时要克服的能垒。只有那些自由能超过G2的间隙原子才能买现跃迁。 2.置换型扩散(空位扩散机制) 纯金属和置换固溶体中溶质原子扩散一般采用空位机制进行。 空位扩散机制认为由于晶体中存庄着一定数量的空位，因此原子的扩散便可通过不断地跃迁到邻近的空位而实现。 条件：扩散原子近邻存在空位并且具有足以越过能垒的能量。 四、不同浓度水平的扩散 在纯材料中原子的迁动称为自扩散。在这种情况下的扩散系数称自扩散系数。可以采用同类原子的放射性同位素原子进行测量。 五、离子晶体中的扩散机制 为了维持电的中性，在离子晶体中扩散必须牵涉至少两种带电物(离子和带电的空位)。 空位浓度随着杂质的加入而急剧增加，附加空位对扩散影响的程度取决于这些空位必须紧密地保留与杂质离子联结的程度。若空位可以自由地从它取代的杂质原子位置移开，这些空位可以显著地增加在离子晶体中的扩散速率。 离子固体不是有效的电导体，因为离子传输电荷的能力有限，这与扩散有关，离子固体的电导率与离子的扩散系数有关。很多离子晶体的扩散资料是由电导率测量获得的。由于扩散系数是温度和杂质浓度的函数，那么离子固体的电导率也是这些变量的函数。 六、聚合物中的扩散机制 D＝D0exp(-Q/RT) D0与高分子链长的平方成反比。 在金属、离子和共价晶体内小的杂质扩散是由单个原子或离子穿过点阵进行的，而在非晶态聚合物区域的相对开放的结构中则整个分子可以穿过点阵