中科大材料科学课件05扩散

第五章扩散热处理（heattreatment,annealing）原子扩散增快或减低热处理温度、时间，冷却速度：扩散方程式钢铁齿轮表面硬化：碳化或氮化传输现象（transportphenomenon）质量、热量原子、电子、离子、热流气体、固体、液体扩散：原子运动引致的材料输送物质移动扩散的原子机制（mechanism）扩散的数学温度与扩散原子种类：扩散速率扩散对组（couple）Cu-Ni化学成份分析相互扩散（interdiffusion）：杂质扩散（impuritydiffusion）自身扩散（self-diffusion）扩散机制空穴扩散：相互、自身扩散填隙原子扩散：H,C,N,O填隙原子小地点多：迅速稳定态（steady-state）扩散与时而异（time-dependent）物质转换速率：扩散通量（flux）J=M/(At)微分式：1/A(dM/dt)稳定态：J不变浓度变化曲线（profile）浓度梯度（gradient）=dC/dx（斜率（slope））Fick第一定律J=-DdC/dxD：扩散系数（coefficient）Fick第一定律Ja-b=νa-b

dCa-νb-a

dCb=νd(Ca-Cb)=νd2dC/dxJ=-DdC/dxJ=-DdC/dx稳定态：J不变D不变dC/dx不变J=-DΔC/Δx=CA-CB/(xA-xB)不变例5-1：碳化（carburizing）J=-DCA-CB/(xA-xB)驱动力（drivingforce）：驱使反应发生的原因驱动力：浓度梯度氢气纯化：H+N,Oetc，Pd片不稳定态（nonsteady-state）扩散（连续方程式，equationofcontinuity）Fick第二定律如D为常数常例：单向无限（semi-infinite），气体偏压固定边界条件C=Csatx=o，C=C0atx=∞，初始条件C=C0att=o误差函数（errorfunction）：例5-2：碳化（carburizing,CH4）X2/4Dt求t例5-3：CuinAlCx

，x固定(Dt)500degC=(D’t’)600degC

影响扩散的因素扩散原子种类、温度主材，扩散原子Feinα-Fe：3.0x10-21m2/s（自身扩散，空穴扩散）at5000CCinα-Fe：2.4x10-12m2/s（相互扩散，填隙原子扩散）at5000C温度D=D0exp(-Qd/(RT))Qd

：活化能（activationenergy）inJ/mol,cal/moloreV/atom：移动原子所需能量Feinα-Fe：3.0x10-21m2/sat5000C，

1.8x10-15m2/sat9000CD=D0exp(-Qd/(RT))lnD=lnD0-Qd/(RT)logD=logD0-Qd/(2.3RT)Arrhenius图（Arrheniusplot）例5-4：DforMginAlat5500CD=D0exp(-Qd/(RT))表5-2：D0，Qd，R常数例5-5：Dvs.1/T图，求D0，QdlogD=logD0-Qd/(2.3RT)由D1,T1andD2,T2求D0与Qd设计问题例5-1：钢铁表面硬化Cx-C0/(Cs-C0)=1-erf(x/(2))Cx，C0，Cs，x已知，由表得Dx2/2Dt求tSvanteAugustArrhenius(1859-1927)TheNobelPrizeinChemistry1903"inrecognitionoftheextraordinaryserviceshehasrenderedtotheadvancementofchemistrybyhiselectrolytictheoryofdissociation"其他扩散路径（path）差排，晶粒界，外表面捷径（shortcircuit）横截面小Interstitialsolidsolution=Interstitial(solute)=SolventSubstitutionalsolidsolution=Soluteatom=SolventatomThetwomaindiffusionmechanismsinsolids:interstitialdiffusionmechanismAtommotionThetwomaindiffusionmechanismsinsolids:thevacancyexchangemechanismofdiffusionAtommotionVacancymotionSTMimageof~0.007MLTiatomsonSi(111)Thinfilmlab,NTHUABCThediffusionofTiatomsonSi(111)-7×7surfaceatRTThinfilmlab,NTHUt=6mint=0mint=52mint=20mint=10mint=25mint=45mint=47mint=27minTheTiatomadsorbingprocessesABCWhenonlyoneTiatom