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第六章材料中的扩散第一节扩散概述二扩散的分类 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。 上坡扩散:原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散。3根据是否出现新相 原子扩散:扩散过程中不出现新相。 反应扩散:由之导致形成一种新相的扩散。 3固态扩散的条件 (1)温度足够高; (2)时间足够长; (3)扩散原子能固溶; (4)具有驱动力:化学位梯度。第二节扩散定律3适用条件:稳态扩散--dc/dt=0,浓度及浓度梯度不随时间改变。 负号的含义:扩散方向与浓度梯度相反。菲克第二定律的一维表达式三科肯道尔(Kirkendall)效应 1科肯道尔现象 置换方式进行扩散的过程。(双向互扩散过程) (铜镍的互扩散。两种原子的尺寸接近,扩散以置换互熔的方式进行)第三节扩散的微观机理与现象2空位机制 方式:原子跃迁到与之相邻的空位; 条件:原子近旁存在空位。 (金属和置换固溶体中原子的扩散。) 在自扩散或置换原子参与的扩散(置换扩散)过程中,扩散原子离开自己的点阵位置去填充空位,而原先的点阵位置形成了新的空位。本应处于点阵位置的原子有时会出现在间隙位置。它们将邻近点阵原子挤到间隙中,并取而代之。二、原子热运动与晶体中的扩散 1原子扩散的阻力 宏观扩散流是由大量原子迁移产生的,而原子迁移则是其热运动的统计结果。 扩散的阻力:原子推开某些邻近的原子引起瞬间畸变。即能垒 2原子扩散和热运动的关系 假设条件 ①在给定条件下发生扩散的溶质原子跳到其相邻位置的频率(简称越迁频率)为Г; ②任何一次溶质原子跳到使其从一个界面I越迁至相邻晶面的几率为p; ③晶面I和II上的扩散原子的面密度分别为n1和n2, 则依据统计规律可知: 晶面I越迁至晶面II的原子晶面II越迁至晶面I上的原子三界面扩散 通过晶界或者相界的扩散。(前述为体扩散) 特点:第四节扩散驱动力 一扩散驱动力 通常认为是浓度梯度,但有许多现象违背上述结论。 根据热力学理论,在本质上扩散的真正驱动力是化学位梯度。对于多元体系,设n为组元i的原子数,则在等温等压条件下,组元i原子的自由能可用化学位表示: μi=G/ni 扩散的驱动力为化学位梯度,即 F=-μi/x 负号表示扩散驱动力指向化学位降低的方向。 二扩散系数 扩散阻力:基体原子对扩散原子的阻力 组元i原子的平均移动速率vi和驱动力之间存在如下关系组元i的扩散通量与其浓度及宏观平均运动速率之间关系三上坡扩散 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。 其它引起上坡扩散的因素: (1)弹性应力的作用-大直径原子跑向点阵的受拉部分,小直径原子跑向点阵的受压部分。 (2)晶界的内吸附:某些原子易富集在晶界上。 (3)电场作用:大电场作用可使原子按一定方向扩散。第五节反应扩散