4固体中原子及分子的运动.ppt

1、1、第四章固体中原子及分子的运动、气体：扩散对流、固体：扩散、液体：扩散对流、金属、陶瓷、高分子、结合金属、离子键、共价键、2、本章的内容、扩散的原子机构扩散过程中原子如何移动。 影响扩散的因子浓度梯度、温度、结合键等。 概括地说，扩散：原子和分子的迁移现象称为扩散。 扩散是固体中原子转移的唯一方法。 另一方面，扩散现象和本质扩散的本质是原子通过热运动从一个位置向另一个位置移动。 kirkendall effect活化能转移醉步，4，2，固体金属扩散的条件。 如果Fe原子为500以上，则可以有效扩散，但如果c原子为100以上，则在Fe中需要足够的长度，以便2 .时间(t )扩散原子在晶格中每次

2、最大移动0.30.5n m的距离，扩散1的距离必须移动约亿次。5、2、固体金属扩散的条件，3 .扩散原子扩散原子必须在基体金属中具有一定的固溶度，溶入基体组的晶格，形成固溶体，不能进行固体扩散。 4 .扩散中实际产生驱动力的取向扩散过程全部通过扩散驱动力进行。 6、3、固体扩散的分类1 .根据浓度变化的自扩散(self-diffusion )相互(异)扩散(mutual diffusion) 2.根据是否与浓度梯度(concentration gradient )一致来进行上行扩散(self-diffusion )。 三、固体扩散分类三.当从新相原子扩散反应扩散、8、4.1表象理论和扩散30外

3、部提供能量时，固体金属中的原子和分子偏离平衡位置的周期性振动9、高碳含量区域、低碳含量区域、碳扩散方向、Fe-C合金、10、4.1.1芬克第一定律、J:扩散通量(mass flux )、kg/内容：通过每单位时间的垂直扩散方向的每单位截面积的扩散物质流束，其截面的浓度梯度这等于浓度梯度，1时每秒通过1面积的物质质量或原子数。 12、稳态扩散下固定第一定律的应用扩散系数的测定：一种方法是通过碳在-Fe中的扩散来测定纯Fe的中空圆筒，心部通过渗碳气氛，外部在脱碳气氛中，在一定温度下经过一定时间后，碳原子从内壁渗透应用：测定碳在-Fe下的扩散系数，lr，14，碳原子从内壁渗透，当外壁渗透达到平衡时，

4、达到每平衡扩散单位面积的碳流量：15，q，l，t绘制了C-lnr曲线，16，17，4.1.2菲克第二定律，非平衡扩散： 流入质量-流出质量=储存质量或流入速度-流出速度=储存速度，18，19，体积元(Adx )内，体积元内扩散物质质量的储存速度：菲克第二定律，20，化学扩散：自扩散：仅由热振动引起的扩散。合金中某单元的自扩散系数：其质量浓度梯度为零的倾向的扩散系数。 (21，d与浓度无关，三维各向同性时：22，对非稳态扩散进行描述：由于扩散过程中各处的浓度随时间变化，因此通过各处的扩散流量变得不相等，随距离和时间变化。 式：23中，d与浓度无关，在三维扩散情况下，如果d是各向同性，则为：24，

5、 4.1.3适用扩散方程式的解，第一法则解一次微分方程式的第二法则设置中间变量求解(高斯解gausssss.两端成分不受扩散的影响的扩散偶，25，1 .两端成分不受扩散的影响的扩散偶，焊接质量浓度为的a棒和质量浓度为的b棒界面左侧的浓度衰减与右侧的浓度增加对称，因为界面左侧的浓度衰减假定与浓度无关，扩散系数为26、27、初始条件：边界条件：28、29、30、31。 32、33、2 .一端成分不受扩散影响的扩散体表面热处理过程，渗碳处理：工件碳质量浓度表面碳质量浓度，34、35、36，例如纯铁渗碳到气体渗碳介质中927，在该温度下c是-Fe半无限大物体中的扩散，因此927时，即1200K、d 1

6、 这是能够以渗碳10h、即3.6104s、=s1-erf(x/(4Dt)1/2、ERF (6.8x )=ERF (0. 816 )=0. 7421=s1- ERF (6.8x ) )=1.3% (1-0. 7421 )=0. 32 %计算出的理论导出、39、4.1.4置换固溶体中的扩散自学总结了卡肯德尔效应是什么？说明什么问题？ 实质？ 40，4.2扩散的热力学分析自学归纳扩散驱动力的本质吗？化学势内应力晶界的内吸附电场或温度场，41，4.3扩散的原子理论4.3.1扩散的机制自学归纳交换机制：直接交换，环状交换间隙机制：空位，推填， 孔隙光阑机制晶界扩散和表面扩散： DL DB DS，42，4

7、.3，43，授课作业：1.影响扩散的因素是什么？ 扩散分别有什么影响？2 .反应扩散的机制。 3 .离子晶体中的扩散机制。 44，3 .衰减薄膜源表面沉积过程。 求解方法与上述相同，特解为(式4.16、4.17 )、45，发生自扩散：溶剂原子偏离平衡位置迁移的现象。 原子通过自己元素的晶格移动的扩散。 相互扩散：置换式固溶体中溶质、溶剂原子的大小相近，具有相近的迁移率，扩散中溶质、溶剂原子同时扩散的现象。 4.1.4置换固溶体中的扩散，由于溶质和溶剂原子半径的差不大，两者的扩散速度不同，产生柯肯德尔Kirkendall效应。 原子进入对方元素的晶格引起的扩散。 46、互扩Kendall eff

8、ect : kendal首先发现互扩，在黄铜铜扩散偶中，以钼丝为标志，在785保温不同时间后，钼丝移动到黄铜内，移动量与保温时间的平方根成正比。 47、如果DCu=DZn、Zn向Cu中的扩散等于Cu向黄铜中的扩散原子数，锌原子尺寸大于铜原子尺寸，扩散后晶格常数变化，钼丝的移动量相当于实验值的1/10，因此晶格常数的变化是引起钼丝移动的唯一原因进一步研究发现，Cu黄铜边界面黄铜侧出现宏观疏孔，是因为扩散中黄铜中的Zn向铜中的扩散量大于Cu原子从铜向黄铜中的扩散量，黄铜中空位数多，超过平衡浓度，空穴部分聚集而稀疏，向置换式固溶体中扩散的主要机理是空穴扩散在Cu-Au、Cu-Ni、Cu-Sn、Ni-

9、Au、Ag-Cu、Ag-Zn中存在这种现象。 48、置换固溶体中的扩散是Kirkendall和Darken效应的结合。 Darken导出了置换固溶体的扩散第一定律形式：假设元素之间的扩散互不干扰，扩散中空穴浓度变化的扩散驱动力为d/dx，实验得到的标记漂移速度：4.31式引入互扩散系数：4.34式应用：测定某温度下的互扩散系数，标记漂移dx可以求出两原子的扩散系数D1和dx，49、4.2扩散的热力学分析、4.2.1扩散驱动力浓度梯度相关的扩散：顺扩散(高浓度低浓度)、下坡扩散逆扩散(低浓度高浓度)、上坡扩散热力学：决定构成要素扩散的流动的是化学位浓度梯度和化学位梯度一致，顺扩散该值由基于化势的

10、距离求得，即4.40式(P142 )中的负符号表示驱动力与化势的降低方向一致，即扩散总是向化势减少的方向行进。 50、二、迁移率(b ) :基于单位驱动力的原子扩散速度。 由此能够导出的d和b的关系，将4.41式(P142) 1(lnri/lnxi )称为热力学因子。 对于理想固溶体或稀固溶体，有D=kTBi，称为NernstEinstein方程式。 因此，在理想固溶体或稀固溶体中，不同构成要素的扩散速度仅依赖于迁移率的大小。 对于一般的实固溶体，该结论也是正确的。 1(lnri/lnxi)0、D0为下坡扩散时。 在1(lnri/lnxi)0的情况下，D0是上坡扩展。 也就是说，确定扩展元件的

11、基本因素是i/xi，而扩展总是将扩展元件的减少导致零。 51、3、引起上坡扩散的其他要素，1 )弹性应力引起的逆扩散弯曲固溶体，其上部的拉伸晶格常数增大，大原子向拉伸区域移动，下部的受压点的排列常数减小，小原子向受压区域移动，出现逆扩散。 2 )晶体缺陷引起的逆扩散，晶界能量高，吸附异种原子的能量降低，晶界溶质原子的富集，逆扩散和刃型位错应力场将溶质原子吸引，在位错周围形成Cottrell气体块。 52、扩散路径：晶格中的扩散路径53、化学位点不同。 这是最重要的因素1 )弹性应力起作用。 通过爬坡扩散，降低因弹性变形而增加的能量。 2 )晶界内吸附。 降低整个系统的自由能。 3 )形成化合物

12、。 形成如Fe3C。 4 )由于强电场、磁场、温度场等特殊环境，原子向一定方向移动。 上坡扩散：向浓度上升方向扩散，扩散使浓度两极分化。 例如：液态合金共晶交接； 固溶体的共析交接固溶体中的新相析出及新相生长。 54，4.3扩散的原子理论、扩散机制(机制)原子的跃迁和扩散系数扩散活化能不规则的步行和扩散距离、55，4.3.1扩散机制(机制)、扩散机制(机制)。 56、1 .交换(索引)机制：在相邻原子交换位置扩散的方式。 索引方式：直接索引扩散和循环索引扩散需要两个以上的原子共同跳舞，需要的能量很高。结果表明，垂直于扩散方向的平面净通量为0. 2 .间隙机理： (1)间隙型溶质原子扩散从一个位

13、置向另一个位置移动的过程。 (2)置换型溶质原子间隙机理的扩散是a .推动机理(interstitialcy mechanism ) (也称夺取式) b.crowdionconfiguration (crowdionconfiguration ) c .迁移方式4 .晶界扩散和表面扩散晶体内扩散Dl晶界扩散Db表面扩散Ds 5.位错扩散：原子通过位错扩散。 温度越低，原子位置偏移的时间越长，在晶格中跳舞的时间越短。 缺陷中原子的扩散称为短路扩散。 在任何情况下，固体金属和合金中的扩散主要取决于晶体缺陷。 59，4.3.2原子的跳跃和扩散系数，1 .原子跳跃频率(jump frequency )原子扩散必须克服一定的能垒，其大小为G=G2G1，只有自由能超过G2的原子跳跃。 关于在t温度下具有跳跃条件的原子分率(或称为概率) n/N，在n/N=exp(G/kT )包含n个原子的结晶中，若在dt时间内跳跃m次，则各原子在单位时间内跳跃的次数(称为跳跃频