材料科學(xué)基礎(chǔ)下14-4.2擴(kuò)散24z

1、14.2.1 原子跳躍和擴(kuò)散4.2 擴(kuò)散的原子理論t時(shí)間內(nèi)，單位面積上由晶面12或21跳躍的原子數(shù)分別為：晶面1和晶面2的面積=1，其上分別有n1和n2個(gè)間隙原子間隙原子由晶面1跳到晶面2，或從晶面2跳到晶面1的幾率均為P間隙原子的跳躍頻率為晶體中n個(gè)原子在dt時(shí)間內(nèi)跳躍m次，單個(gè)原子單位時(shí)間跳動(dòng)次數(shù)為頻率n1 n229/11 22如果n1n2，在晶面2上得到間隙溶質(zhì)原子的凈值：即上式中NA為阿伏加德常數(shù)，Ar為相對(duì)原子質(zhì)量由上式可得：33 由(7.46)式可得對(duì)比上兩式可得：此式也適用于置換型擴(kuò)散設(shè)晶面1和晶面2之間的距離為d，可得質(zhì)量濃度為(7.47)(7.46)(7.48)上式代入前頁(yè)公

2、式有：間隙擴(kuò)散系數(shù) 由(7.47)式可得444.2.2 擴(kuò)散機(jī)制4.2.2.1 交換機(jī)制*直接交換機(jī)制（畸變大，激活能大）*環(huán)形交換機(jī)制（集體運(yùn)動(dòng)約束）擴(kuò)散原子等量互換不能解釋不等量擴(kuò)散57.2.2.2 間隙機(jī)制21間隙擴(kuò)散克服能壘G2-G1346則6根據(jù)麥克斯韋波爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布定律在N個(gè)間隙溶質(zhì)原子中自由能大于G2原子數(shù)：在N個(gè)間隙溶質(zhì)原子中自由能大于G1原子數(shù)：上式表示在某溫度下具有跳躍條件的原子分?jǐn)?shù)，或稱(chēng)幾率7設(shè)間隙型擴(kuò)散時(shí)，原子的振動(dòng)頻率為溶質(zhì)原子最鄰近的間隙位置數(shù)為z(即間隙配位數(shù))具有跳躍條件的原子分?jǐn)?shù) 由于 得擴(kuò)散常數(shù)得間隙原子的跳躍頻率為將上式帶入(7.48) 式中D0為擴(kuò)散常

3、數(shù)，U是間隙擴(kuò)散時(shí)溶質(zhì)原子跳躍所需額外的熱力學(xué)內(nèi)能，該遷移能等于間隙原子的擴(kuò)散激活能Q=U8(7.49)94.2.2.3 空位機(jī)制置換擴(kuò)散2110 end溫度T時(shí)晶體中平衡的空位摩爾分?jǐn)?shù)，平衡濃度UV為空位形成能， S為熵增值，在置換固溶體或純金屬中，若配位數(shù)為Z0，則空位周?chē)铀挤謹(jǐn)?shù)(可能成為空位的分?jǐn)?shù))應(yīng)為 得令原子跳動(dòng)頻率將上式帶入(7.35)具有跳躍條件的原子分?jǐn)?shù) 11置換型固溶體中不等量擴(kuò)散（導(dǎo)致銅絲移動(dòng)）的現(xiàn)象Cu-30Zn 黃銅假如Cu和Zn的擴(kuò)散通量相等J(Cu)=J(Zn)，原子尺寸的差異導(dǎo)致鉬絲(標(biāo)記面)的移動(dòng)量很小785擴(kuò)散退火56天后，兩排Mo絲的距離減小了0.25

4、mm。并在黃銅上留有一些小洞。柯肯達(dá)爾效應(yīng) 鉬絲移動(dòng)的原因：在退火時(shí)，兩種原子的擴(kuò)散速率不同，導(dǎo)致J(Zn)大于J(Cu)12Cu-30ZnCuZn原子擴(kuò)散速率大于Cu，導(dǎo)致J(Zn)大于J(Cu)J(Zn)J(Cu)13134.2.2.4 晶界擴(kuò)散及表面擴(kuò)散擴(kuò)散路徑晶體內(nèi)擴(kuò)散(體擴(kuò)散)DL 晶界擴(kuò)散DB表面擴(kuò)散DSDLDBDS晶體缺陷產(chǎn)生畸變，原子處于高能量狀態(tài)，有利于原子遷移短路擴(kuò)散放射性同位素沉積于表面，擴(kuò)散退火后測(cè)定物質(zhì)在雙 晶體中的濃度144.3 擴(kuò)散激活能間隙擴(kuò)散系數(shù)空位擴(kuò)散系數(shù)U -間隙擴(kuò)散時(shí)溶質(zhì)原子跳躍所需熱力學(xué)內(nèi)能，遷移能Q=U-間隙原子擴(kuò)散激活能Q= UV+U -置換擴(kuò)散和

5、自擴(kuò)散激活能， UV為空位形成能， U為空位遷移能(7.49)(7.51)(7.52)阿累尼烏斯方程1515實(shí)驗(yàn)求解擴(kuò)散激活能16164.4 影響擴(kuò)散的因素4.4.1 溫度（外因）DJ溫度影響擴(kuò)散的微觀機(jī)制？177.4.2 固溶體類(lèi)型（內(nèi)因）間隙擴(kuò)散激活能U小于置換擴(kuò)散激活能UV+U 空位擴(kuò)散間隙擴(kuò)散C N Cr Al 在Fe中擴(kuò)散激活能不同C N ：間隙原子Cr Al：置換原子 184.4.3 晶體結(jié)構(gòu)（內(nèi)因）Fe自擴(kuò)散 D（-Fe）bcc =245D（-Fe）fcc bcc致密度低N D（-Fe）=1400D（-Fe） 擴(kuò)散元素的溶解度不同濃度梯度擴(kuò)散速率*晶體的各向異性 對(duì)稱(chēng)性越低，擴(kuò)散

6、各向異性越顯著。*固溶體結(jié)構(gòu)*擴(kuò)散元素例：碳在-Fe中溶解度高于-Fe ，故濃度梯度大，擴(kuò)散通量大，所以在態(tài)滲碳?？瘴粩U(kuò)散間隙擴(kuò)散19晶界和表面 有利于原子擴(kuò)散位錯(cuò)*有利于原子的擴(kuò)散*減慢擴(kuò)散，與間隙 原子發(fā)生交互作用空位 有利于置換擴(kuò)散4.4.4 晶體缺陷（內(nèi)因）QSQBQLDLDBDS低溫下DLDB高溫下DL=DB20204.4.5 應(yīng)力的作用如果合金內(nèi)部存在著應(yīng)力梯度，即使溶質(zhì)分布均勻，也可能出現(xiàn)化學(xué)擴(kuò)散現(xiàn)象。如果在合金外部施加應(yīng)力，使合金中產(chǎn)生彈性應(yīng)力梯度，會(huì)促進(jìn)原子向晶體點(diǎn)陣伸長(zhǎng)部分遷移，產(chǎn)生擴(kuò)散現(xiàn)象。21 4.4.6 化學(xué)成分*擴(kuò)散元素性質(zhì) (熔點(diǎn)，熔化潛熱)決定自擴(kuò)散激活能*擴(kuò)散

7、原子濃度影響擴(kuò)散系數(shù)*第三組元(雜質(zhì))作用不同 Si使碳的化學(xué)勢(shì)升高，碳向?qū)?cè)上坡擴(kuò)散w(C)22 菲克第一定律描述了物質(zhì)從高濃度向低濃度擴(kuò)散的現(xiàn)象，即下坡擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果導(dǎo)致濃度梯度的減小，使成分趨于均勻。 物質(zhì)從低濃度向高濃度擴(kuò)散，為“上坡擴(kuò)散”或“逆向擴(kuò)散”，如沉淀析出、調(diào)幅分解、偏聚等224.5 擴(kuò)散的熱力學(xué)分析擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力？從熱力學(xué)分析可知，并不是濃度梯度 ，而是化學(xué)勢(shì)梯度23引起上坡擴(kuò)散的其他因素(1) 應(yīng)力場(chǎng) 彈性應(yīng)力 晶體中存在彈性應(yīng)力梯度時(shí)，它促使較大半徑(或間隙)原子跑向點(diǎn)陣伸長(zhǎng)部分，較小半徑原子跑向受壓部分，造成固溶體中溶質(zhì)原子的不均勻分布。(2)晶界內(nèi)吸附 晶界能量比晶內(nèi)高，原子排列規(guī)則性較晶內(nèi)差，溶質(zhì)原子向晶界擴(kuò)散，富集于晶界上可降低體系總能量，此時(shí)溶質(zhì)在晶界上的濃度高于在晶內(nèi)的濃度。(3) 電場(chǎng)或溫度場(chǎng) 大的電場(chǎng)或溫度場(chǎng)促使晶體中原子按一定方向擴(kuò)散，造成擴(kuò)散原子的不均勻性。當(dāng)某種元素自表面向內(nèi)部擴(kuò)散時(shí)，若該元