固体中的原子扩散优秀课件

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固体中原子及分子的运动课件

固体中原子及分子的运件
• 固体中原子及分子的运动形式 • 原子及分子的热运动 • 固体中原子及分子的扩散现象 • 原子及分子的光吸收与发射 • 原子及分子的电子能级跃迁
01
原子与分子构
原子的基本结构
01
02
03
原子核
原子中心有一个带正电荷的原子核，由质子和中子组成。
电子
围绕原子核运动的带负电荷的电子，数量与质子数相等。
只不过
1
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2
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3
固体中原子及分子的运动形式
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固体中原子及分子的运动形式
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固体中原子及分子的运动形式
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谱带组成。
分子的光吸收与发射
分子的振动与转动
分子具有特定的振动和转动模式，这些模式的能量变化会导致分子对特定频率的光的吸收和发射。

材料科学基础-扩散ppt课件

交换机制
环形机制
空位机制
松弛机制
简单间隙机制
推填子间隙机制
非共线推填子
哑铃间隙扩散
挤列扩散机制
哑铃转位扩散
三、固态金属扩散的条件 ① 存在扩散驱动力——化学位梯度（不是浓度梯度）；此外，化学位梯度、温度梯度、应力梯度、电场梯度、磁场梯度等也可以引起扩散(热力学) ② 扩散原子与基体固溶——（前提条件） ③ 温度足够高——温度越高，跃迁几率大（动力学） ④ 足够长时间——扩散1mm距离，必须跃迁亿万次（宏观迁移的动力学条件）
1100℃下Cu钎焊铁基材时
根据相图判断钎焊组织。钎料B与母材A，若存在化合物，T1下母材向钎料中溶解，界面达C,出现γ金属化合物。钎料B与母材A形成共晶相图，B在A中若超过溶解度极限在晶界上形成低熔点共晶体。

镀锌——洗净的钢板浸入450℃熔融锌槽若干分钟。根据相图分析镀层组织：锌镀层由表至里为Zn、θ、ξ、ε、α五个单相区，金属化合物镀层易剥落，适量加入铝减少脆性化合物的量。
§3 影响扩散的因素
单位时间扩散量与扩散系数和浓度梯度有关 D = D0· exp(-Q/RT) J = - D· dC/dx → 参数： D; dC/dx 其中：
(பைடு நூலகம்) 温度
温度是影响扩散最主要的因素。T↑，D↑ (指数关系) 原因：温度升高，原子振动↑，能量起伏↑；空位数目↑
材料科学基础扩散
§1 扩散概述
一、扩散现象和本质扩散通常是自浓度高的向低浓度方向进行；固体也存在扩散，但固体扩散速率十分缓慢，如柯肯达尔效应：（置换互溶的组元）
扩散定义：物质中原子或分子通过无规运动导致宏观迁移与传质的现象。(移动距离超过平均原子间距 )

固体材料中的原子扩散

原子扩散的模拟计算
06
方法
分子动力学模拟
通过模拟原子在固体材料中的运动轨迹，分析原子扩散行为。
可用于研究不同材料和温度下的扩散行为。
考虑原子间的相互作用力和温度对扩散的影响。
蒙特卡洛模拟
基于概率统计方法模拟原子在固体材料中的扩散过程。
考虑原子间的碰撞和能量交换，模拟原子在固体材料中的随机运动。
一。
扩散过程是自发的，由物质的浓度梯度或热力学涨落所驱动。
原子扩散的分类
按扩散驱动力分类
浓度梯度扩散、应力梯度扩散、温度梯度扩散等。
按扩散路径分类
表面扩散、体扩散、晶界扩散等。
按扩散机制分类
热激活扩散、间隙扩散、填充机制扩散等。
原子扩散的物理机制
原子在固体晶格中的迁移
01
原子在固体晶格中的迁移需要克服晶格的势垒，通过晶格振动
传递能量，使原子从一个位置跃迁到另一个位置。
原子通过表面或晶界的迁移
02
原子可以通过表面或晶界的迁移，通过吸附、脱附或跳跃的方
式进行扩散。
间隙扩散和填充机制扩散
03
间隙扩散是指原子在固体的晶格间隙中迁移，填充机制扩散是
指原子通过填充到晶体结构中的空位或位错中进行迁移。
扩散机制
02
热激活扩散
01
02
材料类型与结构
材料类型和结构对原子扩散的影响主要体现在晶格类型、晶格常数、晶体缺陷等方面。不同材料中原子扩散的难易程度不同，这与其晶体结构和晶格振动模式有关。
一般来说，金属材料中的原子扩散比陶瓷材料更容易进行，因为金属材料通常具有更加灵活的晶格结构和较少的晶体缺陷。
晶体缺陷
晶体缺陷如空位、间隙原子、针显微技术（APT）

固体中原子及分子的运动_图文

dx
1
2
J
J = -D d
dx
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
若D与浓度无关，则：对三维各向同性的情况：
菲克定律描述了固体中存在浓度梯度时发生的扩散，称为化学扩散；当扩散不依赖于浓度梯度，仅由热振动而引起时，则称为自扩散。
把原子在缺陷中的扩散称为短路扩散（short-circuit diffusion）。固态金属或合金中的扩散主要依靠晶体缺陷来进行。
扩散的原子理论
原子跳跃和扩散系数 1．原子跳跃频率
以间隙固溶体为例，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。
(left)面心立方结构的八面体间隙及（100）晶面 (right) 原子的自由能与其位置的关系
引入互扩散系数，则有
应用：测定某温度下的互扩散系数,标记漂移速度v和dρ /dx，可求出两种元子的扩散系数D1和D2。
扩散系数与浓度有关时的解
D与ρ有关时，Fick第二定律为式
Boltzmann引入中间变量：
使偏微分方程变为常微分方程。
根据无限长的扩散偶(diffusion couple)的初始条件为
5.3×10-13m²s-1，假如一个工件在600℃需要处理10h，若在500℃处理时，要达到同样的效果，需要多少小时？（需110.4小时）
(2) 对于钢铁材料进行渗碳处理时，x与t的关系是t x²。例题2：假设对－Wc=0.25%的钢件进行渗碳处理，要求渗层0.5㎜处的碳浓度为
0.8%，渗碳气体浓度为Wc=1.2%，在950℃进行渗碳，需要7小时，如果将层深厚度提高到1.0㎜，需要多长时间？（需要28小时）

第四章固体中的扩散266页PPT

B B kT(1
ln γ B ) lnN B
D N A D B N B D A (N A B B N B B A )kT(1
ln γ A ) lnN A
University of Science and Technology of China
Department of Materials Science and Engineering
a) 高价杂质形成空位，D↑； b) 非本征扩散转变温度提高； c) 形成化合物，扩散系数↓ （3）晶体结构对扩散系数的影响 ❖ 同一材料不同晶型: Dα-Fe/Dγ-Fe=280（910℃） ❖ 扩散方向—各向异性（a和Q不同） ❖ 固溶体类型
University of Science and Technology of China
D(NAD*BNBD*A)( 1llnnγA A N )
University of Science and Technology of China
Department of Materials Science and Engineering
4.6 影响扩散系数的因素
从扩散系数的关系式可以看到，影响因素有：温度、组分、结构、原子种类、扩散机制等。
（1）温度与活化能： lnD=lnD0-Q/RT ❖ 影响扩散活化能的因素：结构、扩散方向、扩散原子、机制等
❖ 扩散系数对温度非常敏感：固相线附近10-8—10-9
（空位）， 10-5—10-6（间隙），常温
下降很大10-20—10-50（空位）。
lnD
❖ lnD～1/T作图为一直线，斜率为-Q/R。
1.Fick’s定律的普遍形式
单个原子在一维方向驱动力
Fi
1 NA

固体化学--固体中的扩散 ppt课件

1、由于热起伏的存在，晶体中的某些原子或离子由于剧烈的热振动而脱离格点，从而进入晶格中的间隙位置或晶体表面，同时在晶体
内部留下空位；
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4
2、这些处于间隙位置上的原子或原格点上留下来的空位，可以从热涨落的过程中重新获取能量，从而在晶体结构中不断地改变位置而出现由一处向另一处的无规则迁移运动。
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5
在固体器件的制作过程中，利用扩散作用，并不需要将晶体熔融，便可以把某种过量的组
分掺到晶体中去，或者在晶体表面生长另一种
晶体。
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6
三、固体中扩散的研究内容
1、是对扩散表象学的认识，即对扩散的宏
观现象的研究，如对物质的流动和浓度的变化进
行实验的测定和理论分析，利用所得到的物质输
在新格位上，跃迁的原子又被势能陷阱束缚
住，进而又开始在新平衡位置中振动。直到再发
生下一次的跃迁。
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20
在实际晶体中，由于存在着各种各样的缺陷，故扩散可以很容易地通过点缺陷，沿着位错、晶粒
间界、微晶的表面而进行。
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21
通常情况下，扩散机理可分为三种：
(1)、间隙扩散机理
(2)、空位扩散机理 (3)、环形扩散机理
运过程的经验和表象的规律，定量地讨论固相反应的过程；
ppt课件 7
2、是对扩散的微观机理的认识，把扩散与晶体内原子和缺陷运动联系起来，建立某些
扩散机理的模型。
ppt课件
8
第二节固体中扩散机理及扩散系数
一、扩散的基本特点
①流体中的扩散
②固体中的扩散
③晶体中原子的扩散
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9
①流体中的扩散
行程受到结构中质点排列方式的限制，依一定方

四章固态扩散ppt课件

（二）上坡扩散
上坡扩散－扩散元素由低浓度向高浓度方向扩散，结果导致成分偏析或形成第二相。
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第20页
经过1050℃长时间扩散：硅钢一恻碳浓度降低（由0.478%→0.315%）无硅钢一恻碳浓度升高（由0.441%→0.586%）
高化学位硅钢
焊缝低化学位无硅钢
扩散第二定律适用于非稳定态扩散－ C 0 t
2021/3/6
（三）扩散第二方程的解及其应用
－适用于非稳定态扩散 C 0 t
1.高斯解（薄膜解）高斯解的数学表达式：C= M exp(- χ2 )
πDt 4Dt
M－扩散元素的质量
X－扩散层深度
t－扩散所需要的时间
高斯解适用于：
C－薄膜层的浓度
第三章 2021/3/6
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第11页
2.误差函数解
e r f ( ) -误差函数
1.误差函数通解： CA erf()B ，
2
x Dt
2.定边界条件，求出常数再求出特解：
（1）对于无限长棒扩散偶
初始条件： t＝0 x → ∞ , c = c1
x → －∞ , c = c2
erf (∞)=1 其中： erf (0) =0
•••
扩
•••
散方向
对称和倾斜的势能曲线
a)无扩散驱动力 b、c）有扩散驱动力
在扩散驱动力的作用下，原子沿着扩散方向迁移的几率大于其它方向，最后造成了物质的定向迁移。
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二、扩散第一方程（Fick 一律）
固态扩散：固态金属中原子的迁移现象。
扩散
（一）扩散第一方程的数学表达式

上海交大材料科学基础3固体中的扩散PPT课件

理化学过程与其有关，因此，扩散成为材料科学的主要内容之一。
扩散的分类
（1）根据有无浓度变化自扩散：原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散。（如纯金属或固溶体的晶粒长大。无浓度变化。）互扩散：原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散。（有浓度变化）
（2）根据扩散方向下坡扩散：原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。造成浓度均匀化上坡扩散：原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散。造成浓度差异
t3 t2 t1 C2
限长
不同时刻
问
边界条件： t≥0 时 ,
扩散元素
题
浓度分布曲线
及
x=∞，C=C1,
t1< t2< t3
其解
C1
x=－∞, C=C2
0
x
令则
，x 代入
Dt c dc
c D 2 c
t
x 2
x dc
t dt 2 Dt3/2 d
c x
ddcxddc
1 Dt
2c ;;;;;;x2
（3） Fick第二定律的解
非稳态扩散方程是偏微分方程，解的形式与边界条件、初始条件等有关。一般需要数值求解；但是，在边界条件、初始条件较简单时，可以求出解析解。
误差函数解
设扩散系数D是常数；
初始条件：t=0时,
C 2>C 1的扩散偶
A
C2
C1
B
x>0，C=C1，
扩散方向
一
维
C
无
x<0， C=C2
均匀化退火
C
若要将浓度起伏降低 C max
到原来的1/100,
C m ean
即

第六章扩散(课件19)

图5-1-2是典型的扩散问题。两根含有不同初始浓度溶质原子的合金棒焊接在一起，经高温加热一段时间后，溶质原子自浓度高的一侧流向浓度低的一侧，使合金棒沿纵向的浓度梯度减小，溶质原子在合金棒中分布趋于变得均匀
图5-1-2
典型的扩散举例
1.1 扩散的条件
扩散必需的三个基本条件： (1)扩散驱动力使物质发生迁移(定向)，一定存在着某种力或场，如浓度梯度。 (2)温度原子迁移所必需的基本条件，温度越高，扩散越容易。只有T足够高，才能使原子具有足够的激活能，足以克服周围原子的束缚而发生迁移。如Fe原子在500℃ 以上才能有效扩散，而C原子在1000℃ 以上才能在Fe中扩散。 (3)时间扩散是一个物质迁移的过程，而过程的概念就体现在时间上。扩散原子在晶格中每一次最多迁移0.3～0.5nm的距离，要扩散1㎜的距离，必须迁移近亿次。
1.2 从不同的角度对扩散进行分类
（1）根据扩散过程中是否发生浓度变化分类: （2）根据扩散方向是否与浓度梯度（3）根据扩散过程中是否出现新相进行分类：
（1）
根据扩散过程中是否发生浓度变化分类:
•1.自扩散（Self—diffusion）：纯物质晶体中的扩散。自扩散在扩散过程中不伴有浓度变化的扩散,与浓度梯度（concentration gradientd）（dc/dx）无关,与热振动有关。自扩散只发生在纯金属和均匀固溶体中。例如:纯金属晶粒长大过程；均匀溶体的晶粒长大
例如:均匀化退火、化学热处理
2.上坡扩散(uphill diffusion):沿浓度升高方向进行的扩散,扩散使浓度发生两极分化。
例如:液态合金的共晶转变；固溶体的共析转变；固
溶体中新相析出及新相长大。

材料科学基础第3章固体中的扩散课件

2
)d
因此
可以证明：
erf () 1
erf ( ) erf ( )
误差函数值可以从表中查出
C A1
2
erf ( )
A2
11/53
表β与erf(β)的对应值（β：0～27）
β0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0.0 0.0000 0.0113 0.0226 0.0338 0.0451 0.0564 0.0676 0.0789 0.0901 0.1013
（3）晶界扩散及表面扩散
由于表面、晶界及位错等畸变，使得 DL＜DB＜DS，因此扩散易沿晶面和晶界进行，其扩散速率大于晶体内的扩散速率。沿晶面或晶界进行的扩散也称 “短路”扩散。
返回
30/53
3.3.2 原子跳跃和扩散系数
原子的扩散是通过原子的跳跃实现的，原子一次跳跃只有一个原子间距，其跳跃的方向是随机的，但在一定温度下，原子跳跃的频率是一定的
26/53
（1）间隙机制
间隙原子从一个位置跳到另一个间隙位置，主要发生在具有较小半径的溶质原子的间隙固溶体中。
挤列机制
推填机制
28/53
（2）空位机制
由于晶体中必定存在一定浓度的空位。因此，原子的扩散可借助空位进行，这种扩散较易于进行，因此大多数置换固溶体的扩散采用这种机制来进行。
29/53
设有一块含有n个原子的晶体，在dt时间内共跳跃m次，
则平均每个原子在单位时间内跳跃的次数(即跳跃频率
为):
1、2为两相邻平行
m n dt
晶面，与纸面垂直；间距为d。
若单位面积上的间隙原子数为n1和n2，在某一温度下其跳跃频率为Γ；由晶面 1跳到晶面2或由晶面2跳到晶面1的几率为P，则在△t时间内，由晶面1→2或由 2→1的原子数分别为：

第七章固体中的扩散-PPT课件

M J (7.1a) At
J
1 dM (7.1 b) A dt
（3）Fick第一定律（Fick’ s first law）
Fick第一定律指出，在稳态扩散过程中，扩散通量J与浓度梯度成正比：
dC J D (7.3) dx
式中：负号表示物质沿着浓度降低的方向扩散。D称为扩散系数（diffusion coefficient）。扩散系数是描述扩散速度的重要物理量，它表示单位浓度梯度条件下，单位时间单位截面上通过的物质流量，D的单位是cm2/s。 D越大,则扩散越快.
稳态扩散下的菲克第一定律推导
沿一个方向只有1/2的几率则单位时间内两者的差值即扩散原子净流量 J=（1/2）f（n1-n2） =（1/2）fC1dx-（1/2）fC2dx =f（C2-C1）dx/2
令D=（1/2）（dx）2f，则 J= -（1/2）（dx）2（dc/dx） = -D （dc/dx）
(a) Steady-state diffusion across a thin plate. (b) A linear concentration profile for the diffusion situation in (a).
（2）扩散通量（diffusion flux ）：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积的扩散物质质量，单位为kg/(m2s)或kg/(cm2s) 。
热力学理论分析证明，扩散的真正驱动力是扩散物质的热力学势梯度，即扩散的方向和速率取决于扩散物质体系中热力学势梯度而不是浓度梯度。热力学势梯度可以是浓度、温度、化学位、应力应变、电位等物理量在空间上的差异造成。浓度梯度引起的扩散只是一个最为常见的特例。
（2）上坡扩散概念：原子由低浓度处向高浓度处迁移的扩散。驱动力：化学位梯度。