材料科学基础第7章 扩散与固态相变

1、1、第7章扩散和固体相变、扩散对材料的加工过程有重要影响，Smith wf.ffffffffffandsofmaterialscienceandengineering.McGraw.hill.3/e，2、系统内部的物质为浓度梯度化学位梯度应力3、furnaceforheattreatingsteelusingthecarburizationprocess.(coutesyofcinnatisteeltreating ) 4、概述1、扩散现象和本质(1)扩散：热活化原子自身的热(2)现象：抢先版达尔效应。 (3)本质：原子无序迁移的统计结果。 (不是原子的方向性移动)。 5、肯德基效应：原本是指

2、扩散速度不同的两种金属在扩散过程中形成缺陷，现在已成为空心纳米粉的一种制造方法。 可以记述为固体物中的扩散现象之一。 (1)有无浓度变化的自扩散：原子通过自各儿的元素体晶格而移动的扩散。 (纯金属和固态溶液的晶粒长大-浓度没有变化)相互扩散：原子进入对方元素体的晶格而产生的扩散。 (有浓度变化)，8，(2)根据扩散方向向下坡扩散：原子从高浓度向低浓度扩散。 上坡扩散：原子从低浓度扩散至高浓度。 根据新相的原子扩散是否出现，扩散过程中不会出现新相。 反应扩散：引起形成新相的扩散。1.0、3、固体扩散的条件(1)温度对一盏茶高(2)时间一盏茶长(3)扩散核电源固溶(4)驱动力：有化学位梯度。 Sm

3、ith wf.ffffffffedandsofmaterialscienceandengineering.McGraw.hill.3/e，1.1，第一节扩散法则，1，feak第一法则(1)第一法则是单位时间内与扩散方向垂直的某单位面积2003年度本地学习课程体验， Inc.thomsonlearningisatradecarkusedhere许可证thefulxdirentiondifformatispassingthenumentofatomspasingtrapplingapplannetounumen omson Learning，Inc.thomsolearningisatradeca

4、rkusedhereunderlicense .illustrationoftheconcentrationgradient，1.3，(2)式：在此，c溶质原子浓度D-扩散系数。 (3)适用条件：稳态扩散- dc/dt=0，浓度及浓度梯度不随时间变化。 1.4，2，字的第二定律1 )式的三次元定常扩展： C/t=0，J/x=0。 2 )适用条件非稳态扩展：C/t0，J/x0 (C/t=J/x )。1.5、稳定扩散(源扩散)、不稳定扩散、1.6、用途：适用于不同性质的扩散体系的扩散质点的浓度分布，可以用于解决随时间和距离而变化的不稳定扩散问题。 二定律的评价： (1)宏命令定量描述扩散，定义了扩

5、散系数，但与d没有明确的结构关系；(2)该定律只是描述现象，将影响浓度以外所有扩散的因素包含在扩散系数中，没有明确的物理意义；(3)研究的是质点的扩散(自扩散) (4) 1.7，3 )扩散第二定律的应用(1)误差函数解适用条件：无限长棒和半无限长棒。 (恒定扩散源式： Cx=Cs(Cs-C0)erf(/2Dt ) (半无限长棒)。 例：渗碳条件下： Cs:表面的碳含量C0:钢的原来的碳含量C()-、t下的浓度。 (2)正弦解Cx，t=Cp A0sin(x/)exp(-2Dt/2 )其中，Cp:的平均分量； A0:振幅Cmax- Cp :粒间距的一半。 例如，对于均匀化退火，如果要求晶粒中心成分

6、的偏析振幅降低到1/100，则C(2，t )-CP/(Cmax-CP )=exp (-2 dt/2 )=1/100。1.9、(3)高斯解(薄膜解) Cx=(M/DT)exp(-x2/4Dt )适用条件：限定扩散源、衰减薄膜源(扩散物质总量m不变； t=0，c=0)。 /半导体Si中的p的掺杂大头针。 (1)扩散方程的应用(1)Fick定律的应用瓦斯气体透过玻璃混合双打板渗透，瓦斯气体槽中瓦斯气体的泄漏可视为稳定扩散。 求出2.1、例如瓦斯气体通过玻璃的渗透、单位时间内通过玻璃的渗透瓦斯气体量。 P2P1(玻璃两侧的压力) S2S1 (瓦斯气体在玻璃中的溶解量)，积分：双原子分子瓦斯气体的溶解度

7、和压力的关系是：2.2，(2)Fick二定律的应用实际上是基于不同的边界初始条件，解二次偏微分方程。 常用的两个解：恒源向半无限大物体扩散的解)有限源向无限大或半无限大的物体扩散的解。 式中： k玻璃的通气率a玻璃面积。 2.3 )恒定源向半无限大物体扩散：结晶在扩散物质的一定蒸气压下气相扩散的情况(例如在硅晶片中添加硼的情况)。 例如，a、b两棒被对接，物质a在x方向向b中扩散的边界条件：在t=0的情况下，为x0处，在c=c1=0 t0的情况下，为x0处，c=c2 x处，c=0，2.4，解： (1)、(1)式左：(1)式右：令：令：2.6， 得到，根据边界条件，决定(2)的和b的值，2.7，

8、t=0的情况下，X0中C=C1=0 X0中C=C2，(C1=0)，将2.8，和b代入(2)式，得到：2.9，即扩散物质的浓度一定的情况下，扩散深度与扩散时间的平方根成比例在实际应用中，通常简化上式：3.0、例题1 :在硅片上添加硼的方法，在1100下B2O3分压达到某一定值后，在硅片表面的溶解度达到饱和状态，其浓度为CS=31026原子/cm3。 当B2O3分压保持恒定，CS能够保持恒定时，B2O3向硅的单向式扩散，向硅晶片添加硼。 如果知道1100时硼的扩散系数D=410-17m2/s，则扩散时间为6min。 求出了硼浓度随距离的变化曲线。 3.1、解：这是恒源向半无限大物体扩散的问题。 根

9、据Fick二定律：调查误差函数表，每x得到c，得到以扩散深度为横轴，浓度为纵轴标绘而求出的曲线。 可知、3.2、计算结果与实测结果略有偏差。 偏差的原因：表面硼浓度未达到饱和浓度。 硼为三价，渗透后电子空穴(不等价)迁移快，产生电场，硼扩散加速。3.3、例题2 :铁元素的渗碳过程。 将某低碳铁元素放入CH4和CO的混合气体中，保温9500C左右。 渗碳的目的是在铁元素表面形成高碳层，即表面的碳含量超过0.25wt%，进一步进行热处理。 因为碳在Fe中的溶解度约为1wt%，所以在铁元素的表面，混合瓦斯气体中的碳含量C0保持在约1wt%。 在9500C中，Fe中的碳扩散系数为10-11m2/s，扩

10、散处理的时间t约为104s，已知求出碳向铁元素表面的趋肤深度。 3.4、调查结果：解：3.5、)有限源向无限大或半无限大物体扩散。 这种扩散的例子有陶瓷试料表面的银镀层等。 向无限大物体的扩散：边界条件： t=0时，X0 C(x，t)=0 t0时，向结晶内扩散的质点的总数不变化，q，式中： q扩散物质的总量(常数)。 3.6、有限源向半无限大物体扩散的解经常用于扩散系数的测量。 具体的方法是，在研磨后的尺寸一定的长棒状试料的端面上涂布或堆积放射性示踪剂，加热使示踪物扩散，每隔一定时间进行退火处理，切片。 测定各切片中示踪物原子的辐射强度I(xt )。 向半无限大物体扩散：3.7、两侧是对数、3

11、.8、第二节扩散机构、1、扩散机构间隙(1)、间隙机构平衡位置间隙：困难间隙夺取节点的位置。 (间隙固态溶液中间隙原子的扩散机制。、3.9、方式：原子向邻接的空位迁移(2)空位反应历程的条件：原子附近有空位。 (金属和置换固态溶液中原子的扩散。2003 Brooks/Cole，a division of Thomson Learning，Inc.tomsonlearningisatradecarkusedhere，4.0，直接位移(3)位移机构环位移(必要能量高)。2003 Brooks/Cole，a division of Thomson Learning，Inc.thomsolearnin

12、gisatradecarkusedhereunderlicense .4.1，2，扩散程度的记述(1)原子迁移的距离r=t :原子迁移的频率(一定温度下一定) :原子一次迁移距离(原子间距离等)。4.2、(2)扩散系数D=2P对于立方结构结晶P=1/6，上式可以写为D=2/6，p是迁移方向的概率，是简单的立方体a的常数。对于立方体指向2a/2，为3a/2。 有必要克服扩散激活能Q:原子迁移时周围原子束缚的势垒。 2003 Brooks/Cole，a division of Thomson Learning，Inc.thomsonlearningisatradecarkusedhere，4.4，

13、间隙扩散活性能与扩散系数的关系D=D0exp(-Q/RT 在空穴扩散激活能和扩散系数的关系D=D0exp(-E/kT )式中，成为E=Ef (空穴形状成功) Em (空穴移动激活能)。4.5、3、扩散驱动力和上坡扩散(1)扩散的驱动力相对于多元系，设n为针织面料I的原子数，则在等温等压条件下，用户针织面料I原子的自由能可以用化学位表示： i=G/ni扩散的驱动力为化学位梯度，即： F=-i/x负为扩散驱动力4.6、(2)扩散后的热力学因子群I的扩散系数可以表示为Di=KTBi(1 lni/lnCi )，将(1 lni/lnCi )称为热力学因子。 (1 lni/lnCi)0时，发生Di0、上坡

14、扩散。 (3)上坡扩散的定义：原子从低浓度向高浓度移动的扩散。 驱动力：化学位梯度。 引起上坡扩散的因素：弹性应力的作用：大直径原子向晶格拉伸部分运动，小直径原子向晶格拉伸部分运动。 晶界内吸附：部分原子容易浓缩到晶界。 电场作用：大的电场作用使原子向一定方向扩散。 4.8，4，反应扩散1 )反应扩散：有生成新相的扩散过程。 2 )相分布规律：双扩散双位数中不存在两相区，只能形成不同单相区的三元扩散偶中存在两相区，不能形成三相区。4.9、1温度2固态溶液的类型：扩散反应历程不同。 3晶体结构：扩散系数、溶解度、各向异性现象等。 4晶体缺陷：晶内、晶界、表面扩散系数不同； 变位有利于扩散，扩散也

15、变慢。 5化学成分：键的强度、溶质浓度、第三组元素体等。 6应力作用，第4h，3节是影响扩散的因素，5.0、扩散是基本动力学过程，材料的制造、加工中的性能变化以及精细结构形成和材料使用中的性能衰减起着决定性作用的相应过程的控制，往往从影响扩散速度的因素开始，因此要把握影响扩散的因素； 5.1、扩散系数是决定扩散速度的重要参数。 影响扩散系数的要素的基础式：上式中，表示扩散系数主要取决于温度，出现在函数关系的其他要素隐藏在D0和q中，这些个的要素可分为外在要素和内在要素两种。 5.2、一、扩散介质结构的影响通常是扩散介质结构越密，扩散越困难，反之亦然。 例如，在某个温度下，亚金属铅的体心立方晶格

16、结构(晶胞中包含两个原子) -真？ 中的扩散系数是面心立方结构(单位电池中包含4个原子) -真？ 中的扩散系数。 固态溶液结构类型对扩散有显着影响。 例如，间隙型固态溶液比置换型更容易扩散。一般来说，扩散相和扩散介质的性质差异越大，扩散系数也越大。 这是因为，扩散介质原子附近的应力场变形时，空穴的形成和扩散激活能的降低变得容易，有利于扩散。 因此，扩散原子与介电质原子的性质差异越大，应力场的应变也越强，扩散系数也越大。 5.4、某些金属在金属铅中的扩散系数、5.5、三、结构缺陷的影响实验表明，在金属材料和离子晶体中，原子和络离子在晶界扩散远远快于在晶界内部扩散。 实验表明，氧化物晶体材料的晶界对络离子的扩散具有选择性的增加作用。 例如，在Fe2O3、CoO、SrTiO3材料中，晶界或位错在具有增加O2-络离子扩散作用的BeO、UO2、Cu2O或(Zr、Ca)O2等材料中没有该效果. 5.6、Ag的自扩散系数Db