固体中原子及分子的运动精选PPT.ppt

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1、 meg/aol 02关于固体中原子及分子的运动第1页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02扩散过程的分类按浓度：互扩散，自扩散按方向：顺扩散，逆扩散按路径：体扩散，表面扩散，晶界扩散第2页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02怎样研究扩散表象理论:原子理论:影响因素:实际应用:第3页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 027.1 表象理论（扩散方程）完全混合部分混合时间加入染料水第4页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02Fe-C合金碳源固体物质间的扩散第5页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02高碳含量区域低碳含量区域碳的扩散方向F

2、e-C合金碳源第6页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 027.1.1 菲克第一定律(Ficks first law)J=-Dddx稳态扩散J:扩散通量(mass flux),kg/(m2s)D:扩散系数(diffusivity),m2/s:质量浓度，kg/m3 :浓度梯度12dxJ(12)第7页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 027.1.2 菲克第二定律大多数扩散过程是非稳态扩散过程，某一点的浓度是随时间而大多数扩散过程是非稳态扩散过程，某一点的浓度是随时间而变化的，这类过程可由菲克第一定律结合质量守恒条件导出来变化的，这类过程可由菲克第一定律结合质量守恒条件导出来处

3、理。下式为菲克第二定律：处理。下式为菲克第二定律：该方程称为菲克第二定律或扩散第二定律。如果假定该方程称为菲克第二定律或扩散第二定律。如果假定D与浓度与浓度无关，则上式可简化为：无关，则上式可简化为：菲克第二定律普遍式为菲克第二定律普遍式为:第8页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02不同坐标系中的菲克第二定律不同坐标系中的菲克第二定律 柱坐标系中柱坐标系中:柱对称扩散柱对称扩散,D与浓度无关菲克与浓度无关菲克第二定律的表达第二定律的表达应用应用:分析纯铁空心圆筒的高温渗碳问题。分析纯铁空心圆筒的高温渗碳问题。球坐标系中球坐标系中:球对称扩散球对称扩散,D,D与浓度无关菲克与浓度无

4、关菲克第二定律的表达第二定律的表达 应用应用:分析过饱和固溶体析出第二相分析过饱和固溶体析出第二相的过程。的过程。第9页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 027.1.3 菲克扩散定律的应用模型:氢通过金属膜的扩散达到稳态时的边界条件:C(x=0)=C2 C(x=)=C1 求解结果:氢在金属膜的浓度为线性分布第10页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02平视方向俯视方向应用：测定碳在-Fe中的扩散系数2r2l2r12r12r2lr1000CC第11页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02稳态时:单位时间内通过半径为r(r2r0)=C1 C(t=0,x0,x=)

5、=C1 C(t0,x=-)=C2求解结果求解结果:第14页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02模型模型:一端成分不受扩散影响的扩散体一端成分不受扩散影响的扩散体边界条件边界条件:C(t=0,x0)=C0 C(t0,x=0)=Cs C(t0,x=)=C0求解结果求解结果:假定渗碳一开始，渗碳源一端表面就达到渗碳气假定渗碳一开始，渗碳源一端表面就达到渗碳气氛的碳质量浓度氛的碳质量浓度rs，则：，则：第15页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02模型模型:衰减薄膜源衰减薄膜源 在金属在金属B的长棒一端沉积一薄层金属的长棒一端沉积一薄层金属A，将这样的两个样品连，将这样的两个

6、样品连接起来，就形成在两个金属接起来，就形成在两个金属B棒之间的金属棒之间的金属A薄膜源，然后将此薄膜源，然后将此扩散偶进行扩散退火，那么在一定的温度下，金属扩散偶进行扩散退火，那么在一定的温度下，金属A溶质在金属溶质在金属B棒中的浓度将随退火时间棒中的浓度将随退火时间t而变。而变。求解结果求解结果:当扩散系数与浓度无关时，这类扩散偶的方程解是：当扩散系数与浓度无关时，这类扩散偶的方程解是：第16页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 027.1.4 柯肯达尔效应 柯肯达尔实验描述柯肯达尔实验描述黄铜与铜构成扩散偶黄铜与铜构成扩散偶;钼丝仅为参照物钼丝仅为参照物,不扩散不扩散;黄铜熔点

7、低于铜黄铜熔点低于铜;扩散组元为铜和锌扩散组元为铜和锌;铜和锌构成置换式固溶体铜和锌构成置换式固溶体;扩散在扩散在785C进行。进行。柯肯达尔实验结果柯肯达尔实验结果第17页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02实验结果的分析讨论实验结果的分析讨论假设铜、锌的扩散系数相等，相对钼丝进行等原子的交换，由于锌的原子尺寸大于铜，扩散后外围的铜点阵常数增大，而内部的黄铜点阵常数缩小，使钼丝向内移；如果点阵常数的变化是钼丝移动的唯一原因，那么移动的距离只应该有观察值的十分之一左右；实验结果只能说明，扩散过程中锌的扩散流要比铜的扩散流大得多，这个大小的差别是钼丝内移的主要原因；而且还发现标志面

8、移动的距离与时间的平方根成正比；在Cu-Sn，Cu-Ni，Cu-Au，Ag-Au，Ag-Zn，Ni-Co，Ni-Cu，Ni-Au等置换式固溶体中都会发生这种现象；标志物总是向着含低熔点组元较多的一方移动。相对而言，低熔点组元扩散快，高熔点组元扩散慢。正是这种不等量的原子交换造成了克根达耳效应。第18页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 027.2 扩散的原子理论原子行走与扩散第19页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02示踪原子第20页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02主要的扩散机制交换机制间隙机制空位机制界面扩散空位机制第21页，讲稿共33张，创作于星期

9、日 meg/aol 02扩散与原子的随机行走晶体中原子的行走是随机的 方向 距离扩散系数与原子行走间的关系 爱因斯坦方程第22页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02间隙固溶体：溶质原子的扩散一般是从一个间隙位置跳跃到其近邻的另一个间隙位置。间隙原子从位置1跳到位置2的能垒GG2-G1，因此只有那些自由能超过G2的原子才能发生跳跃。7.3 扩散系数的计算第23页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02所以有:式中D0为扩散常数；U是间隙扩散时溶质原子跳跃所需额外的热力学内能，等于间隙原子的扩散激活能Q。上述式的扩散系数遵循阿累尼乌斯（Arrhenius）方程：。第24页，

10、讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 027.4 扩散激活能的计算当晶体中的原子以不同方式扩散，所需的扩散激活能Q值是不同的。在间隙扩散机制中，Q=U；在空位扩散机制中，Q=U+UV。除此外，还有晶界扩散、表面扩散、位错扩散，它们的扩散激活能是各不相同的，因此，求出某种条件的扩散激活能，对于了解扩散的机制是非常重要的。根据扩散系数的一般表达式，有第25页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 027.5 影响扩散的因素温度温度是影响扩散速率的最主要因素。温度越高，原子热激活能量越大，越易发生迁移，扩散系数越大。固溶体类型 不同类型的固溶体，原子的扩散机制是不同的。因此扩散激活能也不

11、同。第26页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02晶体结构晶体结构对扩散有影响，有些金属存在同素异构转变，当它们的晶体结构改变后，扩散系数也随之发生较大的变化。例如铁在912时发生-Fe-Fe转变，-Fe的自扩散系数大约是-Fe的240倍。所有元素在-Fe中的扩散系数都比在-Fe中大，其原因是体心立方结构的致密度比面心立方结构的致密度小，原子较易迁移。晶体缺陷若以QL，QS和QB别表示晶内、表面和晶界扩散激活能；DL，DS和DB分别表示晶内、表面和晶界的扩散系数，则一般规律是：QLQBQS，所以DSDBDL。晶界、表面和位错等对扩散起着快速通道的作用，这是由于晶体缺陷处点阵畸变较大

12、，原子处于较高的能量状态，各种缺陷处的扩散激活能均比晶内扩散激活能小，加快了原子的扩散。第27页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02成分的影响 (1)组元特性 原子在点阵中扩散需要克服能垒，即需要部分地破坏邻近原子的结合键才能实现跃迁，因此扩散激活能必然和表征原子间结合力的微观参量及宏观参量有关。从微观参量讲，固溶体中组元的原子尺寸相差愈大，畸变能就愈大，溶质原子离开畸变位置进行扩散愈容易，则Q愈小，而D值愈大；组元间的亲和力愈强，即负电性相差愈大，则溶质原子的扩散愈难.通常溶解度越小的元素扩散越容易进行。第28页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02 应力作用第29

13、页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02 不同金属的自扩散激活能与其点阵的原子间结合力有关，不同金属的自扩散激活能与其点阵的原子间结合力有关，因而与表征原子间结合力的宏观参量，如熔点、熔化潜热、因而与表征原子间结合力的宏观参量，如熔点、熔化潜热、体积膨胀或压缩系数相关，熔点高的金属的自扩散激活能必体积膨胀或压缩系数相关，熔点高的金属的自扩散激活能必然大。然大。第30页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02(2)组元浓度 一般来说,扩散系数是浓度的函数。实验证明，溶质浓度的影响是通过Q和D。起作用的。通常是Q值增加，D。值也增加；而Q值减少，D0值也减小。（3 3）第三组元的影响）第三组元的影响第31页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02纯铁的表面氮化4.7 反应扩散第32页，讲稿共33张，创作于星期日 meg/aol 02感感谢谢大大家家观观看看第33页，讲稿共33张，创作于星期日