材料科学基础-第4章扩散

Chapter Outline
4.1 扩散的统计规律 4.2 扩散的驱动力（Activation Energy for Diffusion） 4.3 扩散类型和微观机理（Mechanisms for Diffusion） 4.4 影响扩散的因素（Factors Affecting Diffusion） 4.5 扩散和材料加工（Diffusion and Materials Processing）
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4.1.4 Kirkendall（柯肯达尔）效应
一般情况下，分析间隙固溶体的扩散时，主要讨论 溶质原子的扩散，不考虑溶剂原子的扩散运动。 在置换固溶体中，由于两种原子的大小相近，特别 当固溶体浓度较高时，原子的可动性属于同一数量 级，此时必须同时考虑溶质和溶剂原子的扩散，这 种扩散称为互扩散。 置换固溶体中，两种原子往往不是以大小相等、方 向相反的速率进行扩散。Kirkendall用实验证明 了互扩散过程中组元的扩散系数不同。
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Applications of Diffusion
Nitriding - Carburization for Surface Hardening of Steels p-n junction - Dopant Diffusion for Semiconductor Devices Manufacturing of Plastic Beverage Bottles/MylarTM Balloons Sputtering, Annealing - Magnetic Materials for Hard Drives Hot dip galvanizing - Coatings and Thin Films Thermal Barrier Coatings for Turbine Blades
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Section 4.3 Mechanisms for Diffusion
Self-diffusion - The random movement of atoms within an essentially pure material. Vacancy diffusion - Diffusion of atoms when an atom leaves a regular lattice position to fill a vacancy in the crystal. Interstitial diffusion - Diffusion of small atoms from one interstitial position to another in the crystal structure.
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Figure The flux during diffusion is defined as the number of atoms passing through a plane of unit area per unit of copper atoms into nickel. Eventually, the copper atoms are randomly distributed throughout the nickel
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Figure Illustration of the concentration gradient
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4.1.2 菲克第二定律(Fick’s Second Law)
对于不稳定扩散，扩散物质通量不是一个常数，而是 随着时间以及 x方向各点的位置而变化。 输入平面1的速率=（JA ） ( JA) dx 输出平面2的速率=（JA ）+ x 单元体积中的积累速率= [cA dx ] Adx c t t 输入速率-输出速率=积累速率
图4－1 扩散过程中溶质浓度分布图
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4.1.1 菲克第一定律 (Fick’s First Law)
在稳定扩散的情况下，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的通量与浓度梯度 成正比：
dc J D( ) dx
式中： D-扩散系数（m2/s），负号表示扩散是由高浓度 向低浓度方向进行；J-扩散通量（g/m2.s）；c-扩散物质 的浓度（g/m3）。 浓度梯度一定时，扩散仅取决于扩散系数，扩散系数是描述 原子扩散能力的基本物理量。 扩散系数与很多因素有关，但是与浓度梯度无关。
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图4－5 Kirkendall（柯肯达尔）实验示意图
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Section 4.2 扩散的驱动力 菲克定律的普遍形式
J D x
负号表明，原子扩散的驱动力总是与化学位下降的方 向一致，扩散朝着化学位减小的方向进行。 “下坡扩散”：溶质原子从高浓度地区流向低浓度地 区的扩散，扩散的结果使成分趋向于均匀。铸锭的均 匀化退火就是这种形式的扩散。 “上坡扩散”：当浓度梯度方向与化学势梯度的方向 相反时，溶质原子就会朝浓度梯度相反的方向迁移， 即从低浓度区域流向高浓度区域。因为同类原子的聚 集可显著地降低系统的自由能。例如，过饱和固溶体 的分解过程，使合金趋向于分解为复相组织。 温度梯度、电场和局部应力状态也会影响扩散过程。
J c x t
[ D c
d c x t
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2c c D 2 x t
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图4－2 扩散通过微小体积的情况
图4－3 无限长扩散偶中的溶质原子分布
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Figure Diffusion of atoms into the surface of a material illustrating the use of Fick’s second law
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Section 4.1 扩散的统计规律
由于原子（或分子）热运动而导致物质在材料中宏 观迁移的现象称为扩散(Diffusion) 。 稳定扩散：指定区域浓度不随时间而变化的扩散。 不稳定扩散：浓度随时间而变化的扩散。 扩散的宏观统计规律：扩散过程中，扩散物质的分 布与时间的关系。