第七章-固体中的扩散.ppt

扩散的微观描述微观描述：主要是描述扩散过程的原子机制，即原子以什么方式从一个平衡位置跳到另一个平衡位置的。目标：了解扩散的微观理论和机制是各种相变及转变的微观过程二、扩散的微观机构与扩散系数1.扩散微观机构

(a)易位扩散；

(b)环形扩散；

(c)间隙扩散；

(d)准间隙扩散；

(e)空位扩散。1.易位扩散/环形扩散环形易位机制同种粒子间相互交换位置形成封闭的环状扩散的微观机制易位机制原子间直接相互交换位置两个（多个）原子协同跳动—实现物质迁移—激活能高2.间隙扩散——间隙小原子在间隙固溶体中溶质原子的扩散是从一个间隙位置跳到近邻的另一间隙位置，发生间隙扩散。间隙机制扩散的微观机制间隙原子克服势垒跃入另一间隙中物质的迁移激活能能量起伏外界能量实现需要间隙原子克服势垒跃入另一间隙中物质的迁移激活能实现适用于间隙型固溶体的扩散*第七章固体中的扩散§7.1晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程§7.2扩散过程的推动力、微观机构与扩散系数§7.3影响扩散的因素一、扩散现象气体和液体中的扩散现象例如：鲜花的芬芳，红墨水扩散由物质的原子或分子迁移造成,是物质传输的结果。扩散方向是自浓度高的方向向浓度低的方向进行，直至各处浓度均匀为止.固态物质中的扩散现象固体中的扩散速率十分缓慢，但确实存在。固态扩散的实验(柯肯达尔效应)把Cu、Ni棒对焊，在焊接面上镶嵌上钨丝作为界面标志。加热到高温并保温，界面标志钨丝向纯Ni一侧移动了一段距离.柯肯达尔效应:置换互溶组元所构成的扩散偶中,由于两种原子以不同速度相对扩散,扩散通量不相等造成标记面漂移的现象.§7.1扩散基本特点与宏观动力学方程扩散：是由于大量原子的热运动引起的物质的宏观迁移。一、扩散特点固体质点间作用力较强，开始扩散的温度较高，但低于其熔点温度；晶体中质点以一定方式堆积，质点迁移必须跃过势垒，扩散速率较低。扩散通量

扩散通量——单位时间内通过单位横截面的粒子数。用J表示，为矢量（因为扩散流具有方向性）

量纲：粒子数/（时间.长度2）

单位：粒子数/（s.m2）二、扩散动力学方程（2）稳定扩散和不稳定扩散

1）稳定扩散

稳定扩散是指在垂直扩散方向的任一平面上，单位时间内通过该平面单位面积的粒子数一定，即任一点的浓度不随时间而变化，扩散通量不随位置变化。

2）不稳定扩散

不稳定扩散是指扩散物质在扩散介质中浓度随时间发生变化。扩散通量与位置有关。1、菲克第一定律

1858年，菲克（Fick）参照了傅里叶（Fourier）于1822年建立的导热方程，获得了描述物质从高浓度区向低浓度区迁移的定量公式。

稳定扩散条件下，假设有一单相固溶体，横截面积为A，浓度C不均匀，在dt时间内，沿X轴方向通过X处截面所迁移的物质的量△m与X处的浓度梯度成正比：

扩散通量：单位时间，垂直于扩散方向，通过单位面积的物质量C：体积浓度（单位体积原子（质）量）x:距扩散源的距离扩散系数由高浓度指向低浓度（与梯度方向相反）浓度梯度如在扩散过程中各处浓度C只随距离X变化，不随时间t变化，则单位时间通过单位垂直截面的扩散流量J对于各处都相等。即：每一时刻从左边扩散来多少原子，就向右边扩散走多少原子，没有盈亏，浓度不随时间变化，这种扩散称稳定态扩散。

图4溶质原子流动的方向与浓度降低的方向一致1.菲克第一定律（Fick,1858）在扩散过程中，单位时间内通过单位横截面积的质点数目（扩散流量浓度）J正比于扩散质点的浓度梯度▽C。D－扩散系数，m2/s或cm2/s负号：质点从浓度高处向浓度低处扩散，即逆浓度梯度方向扩散。应用：菲克第一定律是描述质点定向扩散的基本方程，它可直接用于求解扩散质点浓度分布不随时间变化的稳定扩散问题。即dc/dt=02.菲克第二定律在不稳定扩散条件下，从物质的平衡关系着手，建立第二个微分方程式——各点浓度随时间改变的关系式。在扩散方向上取体积元和分别表示流入体积元及从体积元流出的扩散通量，则在Δt时间内，体积元中扩散物质的积累量为

如果扩散系数与浓度无关，则式可写成