材料科学基础：第7章 固体材料中的扩散.pptVIP

中南大学材料学院 第7章 固体材料中的扩散 一、扩散方程 二、扩散机制 三、扩散系数 四、扩散热力学分析 五、固溶体中的扩散 六、反应扩散 七、离子晶体中的扩散 八、非晶体中的扩散 九、扩散问题的实例 扩散 原子（或分子）在平衡位置附近作周期性振动，有时可以跳跃到另一新的位置（每秒约跳跃108次） 这种原子的短距离或长距离的迁移微观过程以及由于大量原子的迁移引起物质的宏观流动，称之为“扩散” 固体中原子迁移的唯一方式是扩散 金属的凝固、偏析、成分均匀化、各种扩散型固态相变、渗碳、烧结、氧化、脱碳、焊接、高温蠕变等等都受原子的扩散所控制 扩散的应用 Surface hardening of steel：齿轮渗碳等 半导体掺杂 导电陶瓷 硬盘驱动器磁性材料 饮料瓶防漏气 涂层与薄膜 涡轮叶片的热障涂层 光纤和微电子器件的高分子包装 水及气体处理：过滤和离子交换树脂 电泳和电镀 7.1扩散方程 把扩散系统看成是连续的介质 稳态扩散 在一定区域内，浓度不随时间变化，eC/et＝0 非稳态扩散 浓度随时间改变，eC/et≠0 7.1.1 菲克第一定律 从大量原子的统计来看，存在原子的扩散流。 如存在浓度梯度的单相合金棒高温加热后，溶质原子将由浓度高的一侧向浓度低的一侧移动，使溶质原子在棒中的分布变得比较均匀 菲克第一定律 单位时间内通过垂直于扩散方向的某一单位面积截面的扩散物质流量（扩散通量J），与此处的浓度梯度成正比，这一规律称为菲克第一定律（扩散第一定律），其数学表达式为式（7－1），称为扩散第一方程 （7－1） x为沿扩散方向的距离 C是体积浓度，即单位体积物体中扩散物质的质量，单位为kg·m-3 D称为扩散系数，量纲是长度2/时间，通常为cm2·s-1 负号表示扩散物质流动的方向与浓度梯度方向相反 扩散通量J的单位是g·m-2·s-1 菲克第一定律 为表示x,y,z三个方向的扩散通量，菲克第一定律普遍式可写成（7－2） Jx=-Dx× eC/ex Jy=-Dy× eC/ey Jz=-Dz× eC/ez （7－2） 式中eC/ex，eC/ey ，eC/ez为x，y，z三个方向的浓度梯度 由菲克第一定律可知，只要金属中存在浓度梯度，就会引起原子的扩散 附：菲克第一定律推导 x轴上两单位面积1和2，间距dx，面上原子浓度为C1、C2 则平面1运动到平面2上原子数 n1=C1dx 平面2运动到平面1上原子数 n2=C2dx 若原子平均跳动频率f, dt时间内跳离平面1的原子数为n1f·dt，跳离平面2的原子数为n2fdt 附：菲克第一定律推导 沿一个方向只有1/2的几率 则单位时间内两者的差值即扩散原子净流量J J=（1/2）f（n1-n2） =（1/2）fC1dx-（1/2）fC2dx =（1/2）f（C2-C1）dx 令D=（1/2）（dx）2f，则 J=-（1/2）（dx）2（dc/dx） =-D（dc/dx） 菲克第一定律应用 1.一些气体在金属中的扩散 容器内金属膜片两侧接触的气压互不相同，长时间之后出现稳态扩散，即单位时间内从高压一侧进入金属膜中的气体的量等于从低压一侧离开金属膜的量，并且不随时间改变。此时，溶解在金属膜片内部各点的气体浓度也不随时间改变 气体在金属中的扩散 根据菲克第一定律，有dc /dx ＝（ C0－ C1）/dx C1和C0分别为金属膜中在x方向相距为的两个面上的气体浓度，C1C0 达到平衡时，金属膜的每一侧面上的浓度与气体压强P保持一定的比例关系 对于H2或N2这类双原子气体，可以用Sivert定律描述，即C＝S×P1/2，S是比例常数，等于单位压强下气体在金属中的溶解度，若与C1、C0对应的压强分别为P1、P0，则 J=-D×S× (P01/2－P11/2)/Δx 由上式,可得： 如果测出P0、P1、J和Δx ，而S已知，则可计算出D的值。相反，如果已知P0、P1、D、S和Δx，则可计算出J 菲克第一定律的应用 扩散系数的测定：