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第七章固态扩散 7 1扩散的基本特点与扩散方程 一 基本特点1 概念 扩散 物质内梯度作用下 热力学驱动力 的质点 分子 原子 离子 电子等 定向迁移 自然界普遍现象 涉及材料的制备 加工 性能等2 流体中的扩散 Brown运动 无规行走 各向同性 净效应 Rn 速率很大 图7 1 2 固态扩散 温度高 塔曼温度 但低于Tm Schettky Frankel空位 各向异性 速率小 图7 2 二 扩散动力学方程1 Fick第一定律 稳态扩散 空间任一点的C不随t变化 J不随x而变化 扩散通量 J 扩散系数 D cm2 s或m2 s 宏观表达式 经验式 图7 3 图7 4 微观表达式 Einstein方程 扩散的本质特征 热运动 D反映的是扩散体系的特征 而不仅取决于某一组元特性 既反映扩散介质 溶剂 宿主 的微观结构 也反映质点的扩散机制 宏观扩散系数与微观扩散机制的桥梁 图7 5 C1 C2 2 Fick第二定律 非稳态扩散 空间质点的浓度随时间变化 数学解释 两定律的统一 3 应用举例 图7 7 图7 6 7 2扩散机制与扩散系数 一 Brown运动与扩散对于bcc中的空位扩散 图7 1 Dr 无序扩散系数Nd 扩散质点的浓度 跃迁频率A 质点周围的节点数 D 原子自扩散系数f 相关因子 二 扩散的微观机制 如何实现定向迁移 图7 8 c 易位扩散 d e 三 扩散系数1 空位机制2 间隙机制3 本征 intrinsic 与非本征扩散 图7 9 P100 空位浓度受杂质离子的电价及浓度控制 4 非化学计量氧化物中的扩散 金属离子空位型 氧离子空位型四 扩散系数测定同位素示踪法 图7 10 图7 11 M2 M3 7 3扩散系数与浓度的关系 1 D随c的变化而变化 D c Matano平面 扩散流入的量和流出的量相等2 计算方法3步 图7 12 参考平面由x 0 原始界面 转变为x 0 俣野平面 7 4多元扩散 一 扩散热力学理论 Nernst Einstein公式 Di i组元在多元系统中的分扩散系数D i i组元的自扩散系数 多元系统中的分扩散系数差异取决于自扩散系数的差异 图7 13 二 KirkendallEffect 由于各组元扩散速率的差异 导致原始界面向富含快速扩散组元一侧迁移的现象 一般 低熔点组元扩散速度快 图7 14 图7 15 Mo间距缩小Zn具有更快的扩散速率 Kirkendallvoids 表面凹陷与凸起 界面结合强度降低 失效 图7 16 WMTang etal ActaMater 2008 56 5818 5827 三 Darken方程 图7 17 t 0 cA B 0 t t0 cA 0 JB1 A B C 图7 18 NiO CoO Co Ni O Co rich Ni rich 三种类型扩散界面S0 原始界面SM 俣野界面SI 科氏界面 图7 19 7 5影响扩散系数的因素一 内因 扩散物质的性质扩散物质性质与介质差异越大 D越大 表7 6 化学键原子键力越强 Q越大 与Tm Lm Ls 间的关系 表7 7 晶体结构原子排列越紧密 Q越大 D越小 DFe Fe 300DFe Fe 扩散剂的浓度扩散剂合金熔点则互扩散系数 图7 20 结构缺陷 表面 晶界 位错 的影响 快速扩散通道 低温起主要作用 高温以体扩散为主 图7 21 图7 22 二 外因 温度截距法外推法 图7 23 杂质的影响 合金元素对C在Fe中扩散的影响 W Mo V Ti等碳化物形成元素 DCFe Mn等弱碳化物形成元素 DCFe影响不