材料科学基础-第4章扩散

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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。
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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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。
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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 time
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Figure Diffusion of copper atoms into nickel. Eventually, the copper atoms are randomly distributed throughout the nickel
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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。
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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.
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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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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Figure Illustration of the concentration gradient
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4.1.2 菲Leabharlann Baidu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
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