扩散定律及其应用-材料科学基础.ppt

Introduction to Material Science 第一节 扩散定律及其应用 基本概念 扩 散 －物质中原子（分子）的迁移。 自扩散 －纯金属中原子本身的扩散。 异扩散 －溶质原子在溶剂金属中的扩散。 互扩散 －溶质原子扩散同时引起溶剂原子的反向扩散。 一、扩散第一定律 扩散第一定律的表达式 式中，J－ 扩散通量，单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截 面积的扩散物质的量 （kg/m2?s) D－ 扩散系数（m2/s) dc/dx－ 浓度梯度 负号“-”－扩散方向与浓度下降的方向一致 （从高浓度 低 浓度） 适用条件：稳态扩散, （扩散过程中各点的浓度C不随 时间t而变） 二、扩散第二定律 扩散第二定律 将D视为常数，则上式可写成： 扩散物质浓度随时间的变化率，与浓度梯度随扩散距离的变化率成正比。 适用条件：非稳态扩散， 二、扩散第二定律 扩散第二定律示意图 三、扩散第二定律的应用 均匀化退火过程 设溶质沿x轴为正弦曲线分布，周期为21 式中，C0－平均浓度；Cmax－最大浓度 三、扩散第二定律的应用 举例：半无限长扩散问题的解 四、柯肯达尔效应 第二节 扩散激活能及扩散系数 主要内容： 扩散的微观机理； 扩散激活能（以间隙扩散为例）； 扩散系数（D）； 一、扩散的微观机理 1. 间隙微观机制 间隙固溶体中溶质原子的扩散一般采用间隙机制进行。 扩散原子由所在间隙位置跳跃至另一相邻的间隙中。 一、扩散的微观机理 2. 空位扩散机制 置换固溶体中溶质原子的扩散一般采用空位机制进行。 扩散原子和空位进行位置交换，扩散原子的迁移可以认为是 空位的反向迁移。 一、扩散的微观机理 二、扩散激活能（以间隙扩散为例） 概念 扩散激活能：实现扩散时原子本身需要增加的能量。（记为Q，主要依靠能量起伏提供） 不同扩散机制的扩散激活能 间隙机制：Q＝ΔUm（原子跳动激活能）； 空位机制：Q＝ΔUm+ ΔUV（原子跳动激活能＋空位形成能）。 Q , 原子越容易实现扩散。 三、扩散系数（D） 1. 微观物理量的表达式（公式推导过程自习P126） 设单位面积晶面I、II相距d，晶面上每个原子任意跳动到对面的几率为P，原子跳动频率为 ，则 讨论： ① ： 与原子本性和温度有关。温度 ， ，则 D ,扩散越容易； ②P,d：与晶体结构有关。 2 宏观物理量的表达式（公式推导过程自习P127） 3 影响扩散系数的因素 晶体结构、各项异性 固溶体类型 扩散元素性质的影响（第三组元） 温度 晶体缺陷 4 扩散系数的测定：示踪原子扩散法、化学扩散法、弛豫法、核方法 第三节 扩散驱动力及反应扩散 主要内容： 扩散驱动力； 反应扩散； 一、扩散驱动力 基本概念 下坡扩散 ( 顺扩散）： 从高浓度向低浓度扩散。 上坡扩散 (逆扩散）：从低浓度向高浓度扩散。 产生原因 产生上坡扩散的原因：扩散的真正驱动力时化学位梯度 ，而不是浓度梯度 。即：扩散驱动力 ，负号 “-” 表示从高化学位向低化学位扩散。 二、反应扩散（相变扩散） 定义 伴随有新相出现的扩散过程。 主要特点 通过扩散使新相生成或长大，原子在相界面上的浓度出现突变。 新相增长速度取决与反应速度和原子扩散速度两因素影响。在反应扩散的初始阶段，新相增长速度主要受相变反应速度控制；随着新相层的增厚，原子扩散速度逐渐成为主要的控制因素。 实例 ①化学热处理，如渗碳、渗氮、渗金属等； ②纯Fe的氧化 第一节 固相反应 主要内容： 定义； 特点； 固相反应的过程 4. 分类 一、固相反应定义 广义：有固相参与的反应 如：固体分解、固固反应、固液间反应 狭义：固体与固体反应产生新的固体产物的过程 二、固相反应的特点 1、非均相反应 2、参与反应的固相需相