材料科学基础--扩散_ppt课件

单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式* 1第三章 固体中的扩散扩散的现象与本质w 物质传输方式：对流，扩散w 与流体中的粒子类似，部分原子通过自身的热振动可以迁移它处。w 扩散本质：由于分子（原子）无序跃迁 (热运动、布朗运动 )而引起的物质迁移现象。w 扩散不是原子的定向移动，而是无序运动的统计结果。实际材料中的扩散举例 成分均匀化成分均匀化 如金属铸件的凝固及均匀化退火。如金属铸件的凝固及均匀化退火。 变形材料变形材料 的处理冷变形金属的回复和再结晶。的处理冷变形金属的回复和再结晶。 陶瓷材料制备陶瓷或粉末冶金的陶瓷材料制备陶瓷或粉末冶金的 烧结烧结 。 固态相变固态相变 扩散型相变。扩散型相变。 材料材料 表面改性表面改性 各种表面处理、半导体材料的掺杂等各种表面处理、半导体材料的掺杂等。 扩散是固体材料中的一个重要现象，材料中的许多物扩散是固体材料中的一个重要现象，材料中的许多物理化学过程与其有关，因此，扩散理化学过程与其有关，因此，扩散 成成 为材料科学的主为材料科学的主要内容之一。要内容之一。单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式* 4扩散的分类w （ 1）根据有无浓度变化w 自扩散：原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散。w （如纯金属或固溶体的晶粒长大。无浓度变化。）w 互扩散：原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散。 w （有浓度变化）w （ 2）根据扩散方向w 下坡扩散：原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。w 造成浓度均匀化w 上坡扩散：原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散。w 造成浓度差异w （ 3）根据是否出现新相w 原子扩散：扩散过程中不出现新相。w 反应扩散：由之导致形成一种新相的扩散。w 固态扩散的条件w 扩散与原子热运动（点缺陷的运动）相关，因此必须在满足以下条件才能实现（ 1）温度足够高；（ 2）时间足够长；w 对于互扩散，还要满足（ 3）扩散原子能固溶；（ 4）具有驱动力：化学位梯度。（ 1）扩散第一定律w 1855年 Adolf Fick在实验基础上，提出经验规律 -扩散第一定律 ,扩散原子的扩散原子的 扩散通量扩散通量 与与 浓浓度梯度度梯度 成正比成正比 : n J 扩散通量，单位时间通过垂直于扩散方向单位截面积的物质量；如 mol/s.m2n D 扩散系数；量纲如 m2/sn C 溶质浓度 ,如 mol/m3n 表示扩散方向与浓度梯度方向相反。w如果浓度梯度随时间变化，扩散通量不是常数，使用第一定律就不太方便；w这时需要利用第一定律的推论 -扩散第二定律。（ 2）扩散第二定律w 、 为垂直于扩散方向 x的两个单位截面，相距 dx;wJ1和 J2分别为扩散时进入和流出两截面的扩散通量。w这样在扩散过程中，单元体中溶质积累速率w三维情况下w如果 D与浓度无关（ 3） Fick第二定律的解w非稳态扩散方程是偏微分方程，解的形式与边界条件、初始条件等有关。w一般需要数值求解；w但是，在边界条件、初始条件较简单时，可以求出解析解。误差函数解设扩散系数 D是常数；初始条件： t=0时 , x0， C=C1，x0， C=C2边界条件： t0时 , x=， C=C1, x= , C=C2 令 ，代入则 则菲克第二定律转化为常微分方程 （ 1） 取试探解 代入式（ 1）则有（ 2）w比较得 n=2, =1/4 代入（ 2）左边化简有w积分（ 3）w此积分与高斯误差函数相似，无法求得解析解。w令w（ 3）成为w利用边界条件，定出积分参数高斯误差函数半无限边界问题wX=0, C=Cs; x=,C=C0w代入w利用边界条件，定出积分参数纯铁渗碳问题w 纯铁渗碳时，在含碳量不变的气氛中， C浓度分布的试验结果与计算结果符合很好抛物线规律w 应用中，常以给定碳浓度值作为渗碳层的界限应用中，常以给定碳浓度值作为渗碳层的界限，然后确定在一定温度下所需要的渗碳时间。，然后确定在一定温度下所需要的渗碳时间。w 对于一定界面 C， 为定值；w 即 渗层厚度 x符合w 式中 K为比例系数，这个关系式常称为抛物线时间规律。这一关系被广泛地应用于如钢铁渗碳、晶体管或集成电路生产等工艺。w 在一指定浓度 C时，增加一倍扩散深度则需延长四倍的扩散时间。2均匀化退火w若要将浓度起伏降低到原来的 1/100,w即w所需时间w晶粒细小，波长越短，耗时越短。3.2 扩散的微观机制w原子跳跃与扩散w间隙扩散机制w柯肯达尔效应w空位机制w达肯方程 (自修 )（ 1）原子跳跃与扩散设设扩散方向为扩散方向为 x;相邻晶面相邻晶面 1和和 2的溶质原的溶质原子面密度为子面密度为 n1和和 n2;原子跳动频率原子跳动频率 ，原子跳动到邻面的几率原子跳动到邻面的几率为为 P，与结构有关，与结构有关 。在在 t时间内，晶面时间内，晶面 1晶面晶面 2的原子数目为的原子数目为同时同时 ,晶面晶面 2晶面晶面 1的原子数目为的原子数目为t时间内，时间内， x方向的扩散净通量方向的扩散净通量w设晶面间距为 ，则 1、 2面附近的溶质体积浓度为w由于两晶面距离很近w替换 n1-n2得w与扩散第一定律比较，得w这说明扩散系数与材料种类、晶体结构和温度等有关。随机行走与扩