材物扩散教案.pptx

1几个实例第一节引言第一节概述1.1扩散能够进行的原因：扩散推动力当不存在外场时，晶体中粒子的迁移完全是由于热振动引起的。只有在外场作用下，这种粒子的迁移才能形成定向的扩散流。也就是说，形成定向扩散流必需要有推动力，这种推动力通常是由浓度梯度提供的。Q235钢板偏析但应指出，在更普遍情况下，扩散推动力应是系统的化学位梯度.

物质从高化学位流向低化学位是更普遍的规律，一切影响扩散的外场——浓度场、电场、磁场、应力场等，都可统一到化学位梯度之中，根据热力学第二定律，化学位梯度为零是扩散过程的限度。1.2扩散分类（1）按浓度均匀程度分：有浓度差的空间扩散叫互扩散；没有浓度差的扩散叫自扩散。（2）按扩散方向分：由高浓度区向低浓度区的扩散叫顺扩散，又称下坡扩散;由低浓度区向高浓度区的扩散叫逆扩散，又称上坡扩散。（3）按原子的扩散方向分：
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，一般称后两种情况为短路扩散。此外还有沿位错线的扩散，沿层错面的扩散等。第二节固体扩散机构及其动力学方程2.1固体扩散机构(扩散微观机制)
与气体、液体不同的是固体粒子间很大的内聚力使粒子迁移必须克服一定势垒，这使得迁移和混和过程变得极为缓慢。然而迁移仍然是可能的。
扩散机制：扩散可分为间隙机制、空位机制、填隙机制和换位机制四种。间隙机制
当晶体中存在较小的间隙原子时，间隙原子通过晶格之间的间隙跃迁实现扩散。
这是一种重要的扩散机制。扩散物可以是原子，也可以是离子。空位机制
绝对零度以上热平衡晶体总存在一定数量的空位。在扩散过程中，扩散原子离开原位置进入空位，原位置便形成新的空位，从而形成扩散原子与空位的逆向流动。填隙机制（亚（准）间隙扩散）
本应处于阵点位置的原子出现在间隙中，获得一定能量后将邻近的阵点原子挤入间隙并取而代之。
一般情况下这类缺陷浓度较低，对扩散贡献不大。但辐照和加热可提高这类缺陷，增强扩散。换位机制
分直接换位和环形换位两种。由于需要多个原子协同运动，所需能量较高。讨论：根据迁移所需要的能量，在以上各种扩散中：1.易位扩散所需的活化能最大。2.由于处于晶格位置的粒子势能最低，在间隙位置和空位处势能较高：故空位扩散所需活化能最小，因而空位扩散是最常见的扩散机理，其次是间隙扩散和准间隙扩散。粒子跳跃势垒示意图菲克第一定律1858年，菲克（Fick）参照了傅里叶（Fourier）于1822年建立的导热方程，获得了描述物质从高浓度区向低浓度区迁移的定量公式。傅里叶导热方程扩散具有方向性，且是各个方向的，故J
用矢量表示：
扩散过程中溶质原子的分布溶质原子流动的方向与浓度降低的方向一致Fourier定律不涉及传热时间项,定律本身隐含了热传播速度为无限大的假设。对于热作用时间较长的稳态传热过程,Fourier定律的正确性是毋庸置疑的。但是,对于极端热、质传递条件下的非稳态传热过程,如极低(高)温条件的传热(质)问题、超急速传热(质)问题以及微时间或微空间尺度条件下的传热(质)问题,热传播速度的有限性却必须考虑，人们把在极端热、质传递条件下出现的一些不遵循(或偏离)Fouirier导热定律的热传递效应称为热传导的非傅立叶效应.菲克第二定律当扩散处于非稳态，即各点的浓度随时间而改变时，利用菲克第一定律不容易求出。但通常的扩散过程大都是非稳态扩散，为便于求出，还要从物质的平衡关系着手，建立第二个微分方程式。在扩散方向上取体积元和分别表示流入体积元及从体积元流出的扩散通量，则在Δt时间内，体积元中扩散物质的积累量为将菲克第一定律代入:菲克第一定律和菲克第二定律本质相同，均表明扩散的结果是使不均匀达到均匀，非平衡逐渐达到平衡。扩散方程的应用对于扩散的实际问题，一般要求算出穿过某一曲面（如平面、柱面、球面等）的通量J，单位时间通过该面的物质量dm/dt=AJ，以及浓度分布c(x,t)，为此需要分别求解菲克第一定律及菲克第二定律。（一）一维稳态扩散应用实例：气体通过金属膜的渗透过程。设金属膜两侧气压不变，是一个稳定扩散过程。根据积分得：因为气体在金属膜中的溶解度与气体压力有关，令，而且通常在金属膜两测的气体压力容易测出。因此上述扩散过程可方便地用通过金属膜的气体量F表示：（二）不稳态扩散非稳态扩散，求解菲克第二定律方程，可得c(x,t),偏微分方程的解只能根据所讨论的初始条件和边界条件而定，过程的条件不同，方程的解也不同。一般情况下，Ｄ为常数时，解符合以下两种形式：（１）若扩散路程相对初始不均匀性的尺度来说是短小的，则浓度分布作为路程和时间的函数，可用误差函数很简单的表示出来。所谓短时解。（２）扩散接近于完全均匀时，c(x,t)可用无穷三角级数的第一项表示。所谓长时解