固体中的扩散课件

图4-1 空位扩散机制学示习交意流图PPT
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２．间隙机制
间隙机制：间隙固溶体中，溶质原子从一个间隙位 置跳动到另一个间隙位置。
扩散激活能:原子克服能垒实现跃迁的能量。
图4-2 间隙扩散机制示意图
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４.1.２ 扩散的驱动力
原子扩散的驱动力是化学力或化学位梯度，其表
达式为：
F u x
散通量J均随时间和距 离而变化的条件下进行 扩散时，就需要从物质 的平衡关系入手，建立 偏微分方程即扩散第二 定律。
图4-5 导出Fick第二定律的扩散条件示意图
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1. 扩散第二定律的表达式
ct Dxx2c2Dyy2c2Dz z2c2
对于非稳态扩散，可根据边界条件求解扩散 微分方程。对于气体进入固体的渗碳扩散过程，常 用误差函数来解决碳随时间和距离的变化关系，用 来合理地确定渗层的浓度、深度和渗碳的时间。
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4.1.1 扩散机制
扩散机制：原子如何在晶格内迁移, 主要包括有空位扩散机制和间隙扩散机 制。
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1. 空位机制
空位扩散机制：处于晶体点阵结点位置的原子与近邻空位交 换位置而实现原子迁移。
条件：扩散原子近邻存在空位；扩散原子具有扩散激活能。
空位扩散激活能：空位形成能和跳动激活能 。
4 固体中的扩散
4.1 概述 4.2 扩散定律 4.3 影响扩散的因素 4.4 反应扩散 4.5 离子晶体和共价晶体中的扩散 4.6 纳米晶体材料的扩散 4.7 非晶体中的扩散 4.8 扩散与材料加工 小结
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4.1 概述
扩散: 物质中原子(分子)热运动产生的物质迁 移现象。
扩散是一种普遍的现象，如气体、液体中的扩散。 固态扩散同样很普遍，如固态相变、成分均匀化、 化学热处理、恢复再结晶等过程中均伴随扩散过 程。
化学热力学：在恒温恒压下，固溶体各组元化学 位相等，则处在热力学平衡状态；若存在化学位差， 则会在化学力的作用下，组元由高化学位处向低化学 位处流动，发生了原子的迁移。
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４.1.3 固态扩散的分类
1. 自扩散和异扩散
根据扩散时有无浓度梯度，可分为自扩散和异 扩散。
自扩散：与浓度梯度无关，无浓度变化的扩散， 一般为纯金属中相同原子间的扩散，如纯金属中再 结晶形核与晶粒长大、同素异构转变。
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4.2 扩散定律
4.2.1 稳态扩散与扩散第一定律 4.2.2 非稳态扩散与扩散第二定律
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4.2.1 稳态扩散与扩散第一定律
稳态扩散
图4-4 在一定浓度梯度下的稳态扩散
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1. 扩散第一定律表达式
扩散第一定律:在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流量（扩散通量J）与该截面处的 浓度梯度成正比。
异扩散：与浓度梯度有关，有浓度变化的扩散， 如不均匀固溶体的成分均匀化，为异类原子间的扩 散。
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2.上坡扩散和下坡扩散
根据扩散方向与浓度梯度的关系，可分为上坡 扩散和下坡扩散。
下坡扩散：扩散原子由高浓度向低浓度方向扩 散，即与浓度梯度和化学位梯度相反方向的扩散， 如固溶体成分的均匀化、化学热处理中的渗碳等 过程。
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3. 原子扩散和反应扩散
扩散时有无新相的形成可分为原子扩散与反应 扩散。
原子扩散:扩散过程中没有晶格类型变化无新 相形成。
反应扩散:随扩散原子增多超过固溶体溶解度 极限时而形成新相的过程，如氮化过程。
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4. 体扩散、表面扩散和晶界扩散
按原子的扩散路径分类，在晶粒内 部进行的扩散称为体扩散；在表面进行 的扩散称为表面扩散；沿晶界进行的扩 散称为晶界扩散。表面扩散和晶界扩散 的扩散速度比体扩散要快得多。
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2. 扩散第二定律的应用举例
气体A在固体B中扩散，随时间增加，沿
x轴方向任一点的溶质原子浓度增加，如果气
体A在固体B中的扩散系数与位置无关，则Fick 第二定律的解为 ：
式中：Cs为气体元CC素ss 在CC表0x面的er浓f 度2；xDt
Co为固体的原始浓度；
Cx为时间t时、距表面x处的元素
浓度；
x为距表面距离；
D为溶质元素的扩散系数；
图4-6 气体在固体中的扩散
t为时间。
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4.3 影响扩散的因素
4.3.1 温度的影响 4.3.2 晶体结构的影响 4.3.3 基体金属的性质 4.3.4 固溶体类型对扩散的影响 4.3.5 固溶体浓度对扩散的影响 4.3.6 晶体缺陷的影响
dc 设扩散沿x轴方向进行，且浓度梯度为 d x , 则可表述为：
J D dc dx
式中：D: 扩散系数(m2/sec或cm2/sec)；
负号表示扩散由高浓度向低浓度扩散，即与浓度梯
度方向相反；
c: 体积浓度（g/cm3或1/cm3），即单位体积扩散物
质的质量或原子数。 学习交流PPT -2 -1
在912℃时，α-Fe的自扩散系数约为γ-Fe的
240倍。 原因：体心立方点阵的致密度小，原子易迁
移。
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4.3.3 基体金属的性质
同一元素在不同的基体金属中扩散时，基体金 属熔点越高，则扩散激活能越大，扩散越困难。
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4.3.1 温度的影响
温度影响扩散系数:
D
D0
exp
Q RT
式中:D0为扩散常数,m2/s； Q为扩散激活能,J/mol； R为气体常数,8.314J/(mol·K)； T为绝对温度,K
温度高，原子热振动剧烈，易发生迁移，扩散系数大。
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4.3.2 晶体结构的影响
上坡扩散：扩散原子由低浓度处向高浓度方向扩 散，即与浓度梯度方向一致的扩散，如过饱和固 溶体中溶质的偏聚等过程。
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上坡扩散实例: 碳在钢中扩散后浓度分布图
图4-3 Fe-C (ω=0.441%)与Fe-C (ω =0.478%) -Si (ω =3.8%)合金扩 散偶中的碳浓度分布
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2. 扩散第一定律物理意义
在
d d
ct条 件0 下，只要存在浓度梯度就有扩散，
扩散通量与浓度梯度成正比，扩散流动方向是由
高浓度向低浓度。
扩散第一定律只适用于稳态扩散，即 浓度不d c 随 0时间变化。
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4.2.2 非稳态扩散与扩散第二定律
当浓度梯度 d 与c 扩 dx