材料科学基础扩散定律及其应用

MaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-1第一节扩散定律及其应用基本概念•扩散－物质中原子（分子）的迁移。•自扩散－纯金属中原子本身的扩散。•异扩散－溶质原子在溶剂金属中的扩散。•互扩散－溶质原子扩散同时引起溶剂原子的反向扩散。固态金属中的扩散是通过原子的热运动实现的。MaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-2一、扩散第一定律扩散第一定律的表达式式中，J－扩散通量，单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截•面积的扩散物质的量（kg/m²•s)•D－扩散系数（m²/s)•dc/dx－浓度梯度•负号“-”－扩散方向与浓度下降的方向一致（从高浓度低•浓度）•适用条件：稳态扩散,（扩散过程中各点的浓度C不随时间t而变）dxdcDJ0tCMaterialMaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-3二、扩散第二定律扩散第二定律•将D视为常数，则上式可写成：•扩散物质浓度随时间的变化率，与浓度梯度随扩散距离的变化率成正比。•适用条件：非稳态扩散，xCDxtC22xCDtC0tCMaterialMaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-4二、扩散第二定律扩散第二定律示意图MaterialMaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-5单击观察动画演示！！三、扩散第二定律的应用4.均匀化退火过程设溶质沿x轴为正弦曲线分布，周期为21式中，C0－平均浓度；Cmax－最大浓度)exp(sin)(220max0DtllxCCCCMaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-6三、扩散第二定律的应用举例：半无限长扩散问题的解单击观察动画演示！！MaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-7四、柯肯达尔效应概念与演示•在置换固溶体中，由于两种原子以不同速度相对扩散而造成标记面漂移的现象。•柯肯达尔效应式一种普遍现象。Material单击观察动画演示！！MaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-8第二节扩散激活能及扩散系数主要内容：1.扩散的微观机理；2.扩散激活能（以间隙扩散为例）；3.扩散系数（D）；LessonObjectivesMaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-9一、扩散的微观机理1.间隙微观机制•间隙固溶体中溶质原子的扩散一般采用间隙机制进行。•扩散原子由所在间隙位置跳跃至另一相邻的间隙中。间隙扩散机制示意图MaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-10一、扩散的微观机理2.空位扩散机制•置换固溶体中溶质原子的扩散一般采用空位机制进行。•扩散原子和空位进行位置交换，扩散原子的迁移可以认为是•空位的反向迁移。空位扩散机制示意图MaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-11一、扩散的微观机理3.填隙扩散机制•离子材料中常出现填隙扩散。•间隙原子和正常位的原子之间易位•共线跳动、非共线跳动。MaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-12二、扩散激活能（以间隙扩散为例）概念•扩散激活能：实现扩散时原子本身需要增加的能量。（记为Q，主要依靠能量起伏提供）不同扩散机制的扩散激活能•间隙机制：Q＝ΔUm（原子跳动激活能）；•空位机制：Q＝ΔUm+ΔUV（原子跳动激活能＋空位形成能）。Q,原子越容易实现扩散。MaterialMaterialMaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-13三、扩散系数（D）1.微观物理量的表达式（公式推导过程自习P126）•设单位面积晶面I、II相距d，晶面上每个原子任意跳动到对面的几率为P，原子跳动频率为，则讨论：①：与原子本性和温度有关。温度，，则D,扩散越容易；②P,d：与晶体结构有关。2dPDMaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-142宏观物理量的表达式（公式推导过程自习P127）3影响扩散系数的因素1.晶体结构、各项异性2.固溶体类型3.扩散元素性质的影响（第三组元）4.温度5.晶体缺陷4扩散系数的测定：示踪原子扩散法、化学扩散法、弛豫法、核方法)/exp(0RTQDDMaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-15第三节扩散驱动力及反应扩散主要内容：1.扩散驱动力；2.反应扩散；LessonObjectivesMaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-16一、扩散驱动力基本概念•下坡扩散(顺扩散）：从高浓度向低浓度扩散。•上坡扩散(逆扩散）：从低浓度向高浓度扩散。产生原因•产生上坡扩散的原因：扩散的真正驱动力时化学位梯度，而不是浓度梯度。即：扩散驱动力，负号“-”表示从高化学位向低化学位扩散。x)(xCxFMaterialMaterialMaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-17二、反应扩散（相变扩散）定义•伴随有新相出现的扩散过程。主要特点•通过扩散使新相生成或长大，原子在相界面上的浓度出现突变。•新相增长速度取决与反应速度和原子扩散速度两因素影响。在反应扩散的初始阶段，新相增长速度主要受相变反应速度控制；随着新相层的增厚，原子扩散速度逐渐成为主要的控制因素。实例•①化学热处理，如渗碳、渗氮、渗金属等；•②纯Fe的氧化MaterialMaterialMaterialMaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-18固相反应MaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-19第一节固相反应主要内容：1.定义；2.特点；3.固相反应的过程4.分类LessonObjectivesMaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-20一、固相反应定义•广义：有固相参与的反应如：固体分解、固固反应、固液间反应•狭义：固体与固体反应产生新的固体产物的过程MaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-21二、固相反应的特点•1、非均相反应•2、参与反应的固相需相互接触•3、固相反应的起始温度远低于反应物的熔点或系统低共熔点，此温度与反应物内部出项扩散的温度一致注：固相温度的起始温度常称为泰曼温度。MaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-22三、固相反应的一般过程1、反应物颗粒间混合接触2、在颗粒表面发生反应3、形成细薄含大量结构缺陷的新相4、晶粒生长5、反应通过反应物的扩散而继续MaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-23四：分类•氧化反应•还原反应•加成反应•置换反应•分解反应MaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-24球体模型x2=R02[1-(1-G)1/3]2=KtG－转化率：参议反应的一种物质在反应过程中被反应了的体积分数MaterialMaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-25影响固相反应的因素•反应物化学组成与结构•反应物颗粒尺寸及分布的影响•反应温度、压力、气氛•矿物剂及其它因素MaterialScience2020/3/20IntroductiontoMaterialScience第七章-26相平衡和相图2020/3/20IntroductiontoMaterialScience27第一节相平衡特点一、热力学平衡态和非平衡态1.平衡态相图即平衡相图，反应的是体系所处的热力学平衡状态，即仅指出在一定条件下体系所处的平衡态(其中所包含的相数，各相的状态、数量和组成)，与达平衡所需的时间无关。2020/3/20IntroductiontoMaterialScience282.介稳态即热力学非平衡态，经常出现于硅酸盐系统中。如：说明：介稳态的出现不一定都是不利的。由于某些介稳态具有所需要的性质，因而创造条件(快速冷却或掺加杂质)有意把它保存下来。如：水泥中的β－C2S，陶瓷中介稳的四方氧化锆;耐火材料硅砖中的鳞石英以及所有的玻璃材料。α－石英α－鳞石英α－方石英β－石英β－鳞石英β－方石英γ－鳞石英573℃163℃117℃870℃1470℃180～270℃但由于转变速度慢，实际可长期存在。2020/3/20IntroductiontoMaterialScience29根据吉布斯相律f=c－p＋2f－自由度数c－独立组分数p－相数2－温度和压力外界因素二、相律2020/3/20IntroductiontoMaterialScience30(i)相与相之间有界面，可以用物理或机械办法分开。(ii)一个相可以是均匀的，但不一定是一种物质。气体：一般是一个相，如空气组分复杂。固体：有几种物质就有几个相，但如果是固溶体时为一个相。因为在固溶体晶格上各组分的化学质点随机分布均匀，其物理性质和化学性质符合相均匀性的要求，因而几个组分形成的固溶体是一个相。液体：视其混溶程度而定。p－相数，p=1单相系统，p=2双相系统，p=3三相系统1、相：指系统中具有相同的物理性质和化学性质的均匀部分。注：均匀微观尺度上的均匀，而非一般意义上的均匀。2020/3/20IntroductiontoMaterialScience312、组分、独立组分(组元)组分：组成系统的物质。独立组分：足以表示形成平衡系统中各相所需要的最少数目的组分:c=组分数－独立化学反应数目－限制条件例如：23COCaOCaCOc=3－1－0=2系统中化学物质和组分的关系：当物质之间没有化学反应时，化学物质数目＝组分数；当物质之间发生化学反应时，组分数=化学物质数-在稳定条件下的化学反应数。2020/3/20IntroductiontoMaterialScience32在硅酸盐系统中经常采用氧化物作为系统的组分。如：SiO2一元系统Al2O3－SiO2二元系统CaO－Al2O3－SiO2三元系统注意区分：2CaO.SiO2(C2S);CaO－SiO2;K2O.Al2O3..4SiO2－SiO22020/3/20IntroductiontoMaterialScience333、自由度(f)定义:温度、压力、组分浓度等可能影响系统平衡状态的变量中，可以在一定范围内改变而不会引起旧相消失新相产生的独立变量的数目具体看一个二元系统的自由度。ABLf=2L＋Bf=1A＋Bf=1L＋Af=1f=0