7.2 固体材料中的原子扩散机制、扩散系数及影响因素解析

扩散机制
• 均匀固溶体中三种最基本的扩散机制
1.交换机制 2.间隙机制 3.空位机制
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7.2.1 扩散的交换机制
原子的扩散通过相邻两原子直接交换 位置实现
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晶体点阵中的各种扩散途径来自10/14/2018刘志勇 14949732@
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7.2.3 空位机制扩散
• 空位总会存在，存在空位 • 使熵增加 一个原子在空位旁边，它就可
能跳进空位中，这个原子原来 的位置变成空位，另外的邻近 原子占据新形成的空位，使空 位继续运动，这就是空位机制 在置换式固溶体中 扩散
•
溶剂原子与溶质原子半径 相差不 大，很难进行间隙扩散， 主要依靠 原子和空位的交换位置进 10/14/2018 刘志勇 14949732@ 行扩散
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扩散需要能量－扩散激活能
Substitutional (Vacancy)
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7.2
扩散的微观机制
• 多晶体金属中扩散路径
• 提出各种机制来说明扩散的基本过程 • 1.表面扩散：扩散物质沿金属表面发生迁 • 移 2.晶界扩散：扩散物质沿晶界发生迁移 • 3.位错扩散：扩散物质沿位错线发生迁移 • 4.体扩散：扩散物质在晶粒点阵内部发生 迁移 体扩散是固态金属中最基本的扩散途径
lea引用该机制解释了金在锗中 的扩散 替代式金原子被激发进入间隙位置， 和空位形成填隙原子—空位对，接 着锗原子进入空位，金原子进入锗 原子留下的空位中，交换过程完成 还被发展用来描述Pb－Cd和Pb－Hg 等金属系统中的扩散
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7.2.2
扩散的间隙机制
• 原子在点阵的间隙位置间跳跃而导致的扩 散
• 间隙机制发生在间隙式固溶体中
• 尺寸较小的C、N、H、B、O等溶质原子 在固溶体中从一个间隙位置跳到其邻近 的另一个间隙位置时发生间隙扩散
Q (cal /mol ) C in FCC iron 32900 C in BCC iron 20900 N in FCC 34600 iron N in BCC 18300 10/14/2018 刘志勇 14949732@ iron
• 自由能等于G1或大于G1小于G2的间隙原子数为 （7－36） n1=Nexp(-G1/RT) • 由于G1是处于平衡位置的最低自由能状态，所以 （7－37） 间隙原子跳跃几率 P 2-G1)/RT] =exp(P= n2/n1=exp[-(G ΔG/RT）
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间隙扩散
• ΔG=G2-G1 =ΔH-T·ΔS=ΔE-T·ΔS，原子跃迁几率P=e(-ΔG/RT)，所以 （1） P= exp(ΔS/R）·exp(-ΔE/RT） ΔS:熵变，△E为扩散激活能 • 单位时间内每个原子跃迁的频率f为 f=P·Z·ν=Z·ν·exp(ΔS/R）· exp(-ΔE/RT） （2） Z为配位数，ν为振动频率 • 如果扩散原子在三维空间内跃迁，每跳跃一步的距离为dx，在推导菲 克第一定律时，令 D=(1/6) ·f· （dx）2 （3） • 将式2代入式3，得 （4） D=(1/6)· (dx)2·Z·ν·exp(ΔS/R）· exp(-ΔE/RT）= D 0· exp(-ΔE/RT） D为间隙固溶体中溶质原子的扩散系数， D0为扩散常数
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间隙扩散时间隙原子跃迁所需能量示意图
间隙原子在面心立方固溶体的（100）面上，从一个八面体间隙位置1跳 跃到邻近的一个八面体间隙位置2中（a），其中需要克服一个势垒G2－ G1＝△G
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扩散的交换机制 交换机制很难出现 • 1.原子几乎是刚性球体，一对原子交换位 置时，相邻原子必须让出适当的空间，势 必引起附近的晶格发生强烈的畸变，需要 • 2. 如果是不同类原子交换，两种不同原子 的扩散激活能很大 的扩散系数必须相等
只有能量大于G2的间隙原子才能进行跃迁（b）
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间隙扩散
• 根据Maxwell-Boltzman分布定律，在N个间隙原子 中，在温度T时，自由能大于G2的数目n2为 （7－35） n2=Nexp(-G2/RT)
Energy
Qv Q i
Interstitial
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Activation energy of diffusion
1.Qi＜Qv, lower Q indicates easy diffusion • 2.diffusion couple • 3.diffusion data for selected materials （See Table）