材料中原子的遷移分析PPT學習教案

1、會計學1材料中原子的遷移分析材料中原子的遷移分析nSurface hardening of steel：齒輪滲碳等：齒輪滲碳等n半導體摻雜半導體摻雜n導電陶瓷導電陶瓷n涂層與薄膜涂層與薄膜n渦輪葉片的熱障涂層渦輪葉片的熱障涂層n水及氣體處理：過濾和離子交換樹脂水及氣體處理：過濾和離子交換樹脂n電泳和電鍍電泳和電鍍第1頁/共104頁0tC0tC第2頁/共104頁菲克第一定律的推導菲克第一定律的推導 第3頁/共104頁第4頁/共104頁 dxdCDdxdCdxJ 221 dxdtCCfdtdxfCdxfCdtnnfJ21212121)(2121 fdxD221 dxCCfnnfJ21212121

2、第5頁/共104頁xCDJ第6頁/共104頁xCDJxx（2）zCDJzzyCDJyyyCxCzC第7頁/共104頁n流經兩個垂直于流經兩個垂直于x軸相距為軸相距為dx的平面的平面1和平面和平面2上的通量并不相等，是一種上的通量并不相等，是一種“非穩(wěn)態(tài)擴散非穩(wěn)態(tài)擴散” 菲克第二定律的推導菲克第二定律的推導 n擴散通量擴散通量J不是常數(shù)，而是隨時間以及不是常數(shù)，而是隨時間以及x方向各點的位置而變化方向各點的位置而變化第8頁/共104頁（微小體積中積存的物質量）（流入的物質量）（流出的物質量）（微小體積中積存的物質量）（流入的物質量）（流出的物質量）第9頁/共104頁（3）（4）（5）dxxJJJ

3、J21率小體積內物質的積存速xcDJ1dxxJDJJ12第10頁/共104頁（6）dxtctcdx )()(xcDxtc（8）tcDJ（9）22xcDtcxJtcdxxJdxtc 第11頁/共104頁222222zcDycDxcDtczyx（10）)()()(zcDzycDyxcDxtc（11）)(222222zcycxcDtc第12頁/共104頁22222sin1)(sinsin1)(ccrrcrrDtc0c022c)2(22rcrrcDtc 第13頁/共104頁 22xcDtc第14頁/共104頁第15頁/共104頁第16頁/共104頁)15(221221 DtxerfCCCCC dEXP

4、erf 022第17頁/共104頁第18頁/共104頁第19頁/共104頁0 xc第20頁/共104頁)2(221212Dtxerfccccc)2(22101Dtxerfccccco2120ccc )2(101Dtxerfcccc1022ccc 第21頁/共104頁第22頁/共104頁927滲碳，從滲碳，從Fe-Fe3C相圖可以看出，該溫度下碳在相圖可以看出，該溫度下碳在-Fe中的最大中的最大溶解度為溶解度為1.3%，純鐵表層吸收碳原子后立即達到飽和濃度，而內部的，純鐵表層吸收碳原子后立即達到飽和濃度，而內部的含碳量幾乎為零含碳量幾乎為零第23頁/共104頁dDtxerfDtx202)exp(

5、2)2()2(10Dtxerfcc )2(221212Dtxerfccccc第24頁/共104頁)2(10Dtxerfcc ）（，6x8 . 6t4x)8 . 6(10DxerfCC 第25頁/共104頁第26頁/共104頁第27頁/共104頁第28頁/共104頁)2(1101Dtxerfcccc68. 0)1 . 0( Dterf 220198. 071. 01 . 071. 01 . 0cmDtDt 220198. 071. 01 . 0cmDt 第29頁/共104頁 220198. 071. 01 . 0cmDt RTQDD exp0 TD16558exp23. 0 TscmDcmt/1

6、6558exp0861. 0)/(/ )(0198. 022 第30頁/共104頁第31頁/共104頁Cm為鑄態(tài)合金中原始成分偏析的振幅，為鑄態(tài)合金中原始成分偏析的振幅，為溶質原子濃度最高點與最低點為溶質原子濃度最高點與最低點之間的距離，即枝晶二次軸之間距離（之間的距離，即枝晶二次軸之間距離（AB）的一半）的一半 xCCmx sin第32頁/共104頁0),2( txdxdC xCCmx sin第33頁/共104頁 )24(expsin,22 DtxCtxCm 1sin x 22exp,2 DtCtCm 第34頁/共104頁 1001exp22 Dt )28(467. 02Dt 100exp2

7、2 Dt 1001,2 mCtC 第35頁/共104頁 Dt2467. 0 第36頁/共104頁n與濃度梯度有關的擴散一般是高濃度向低濃度擴與濃度梯度有關的擴散一般是高濃度向低濃度擴散過程的濃度梯度問題，稱為散過程的濃度梯度問題，稱為“下坡擴散下坡擴散” （或（或稱為稱為“順擴散順擴散” ） n還存在低濃度向高濃度的擴散過程稱為還存在低濃度向高濃度的擴散過程稱為“上坡擴上坡擴散散” （或稱為（或稱為“逆擴散逆擴散” ）1、上坡擴散、上坡擴散第37頁/共104頁第38頁/共104頁xMJ （23）第39頁/共104頁jnPTiinGu.)(iinc/iicniiCGu第40頁/共104頁iiCG

8、uxcGxuii2xuMJxccGMJ22cGMD22第41頁/共104頁cGMD22022cGxc022cGxccGMD22n擴散結果會使固溶體合金分解為合金元素含量高和合金元素含量低擴散結果會使固溶體合金分解為合金元素含量高和合金元素含量低的兩種成分不同、結構相同的組織狀態(tài)的兩種成分不同、結構相同的組織狀態(tài)第42頁/共104頁是判斷擴散方向的依據(jù)是判斷擴散方向的依據(jù)cG22發(fā)生下坡擴散發(fā)生下坡擴散022cG固溶體成分均勻化自由能最低固溶體成分均勻化自由能最低第43頁/共104頁022cG第44頁/共104頁第45頁/共104頁第46頁/共104頁第47頁/共104頁第48頁/共104頁第4

9、9頁/共104頁第50頁/共104頁第51頁/共104頁第52頁/共104頁晶體中存在大量空位，存在空位使熵增加。晶體中存在大量空位，存在空位使熵增加。第53頁/共104頁第54頁/共104頁n空位擴散機制可以很好的解釋柯肯達爾效應?？瘴粩U散機制可以很好的解釋柯肯達爾效應。n柯肯達爾試驗時，鎳原子較銅原子擴散的快，故，存在一個柯肯達爾試驗時，鎳原子較銅原子擴散的快，故，存在一個凈鎳原子流越過鎢絲流向銅一側；同時存在一個凈空位流越凈鎳原子流越過鎢絲流向銅一側；同時存在一個凈空位流越過鎢絲流向鎳一側，這樣必然使銅一側空位濃度下降（低于過鎢絲流向鎳一側，這樣必然使銅一側空位濃度下降（低于平衡濃度），

10、鎳一側空位濃度升高（高于平衡濃度）。當兩平衡濃度），鎳一側空位濃度升高（高于平衡濃度）。當兩側空位濃度回復到平衡濃度時，側空位濃度回復到平衡濃度時，n銅一側因空位濃度增加而伸長，銅一側因空位濃度增加而伸長，n鎳一側因空位濃度的降低而縮鎳一側因空位濃度的降低而縮n短，相當于鎢絲向鎳一側移動短，相當于鎢絲向鎳一側移動n了一段距離。了一段距離。第55頁/共104頁第56頁/共104頁 第57頁/共104頁第58頁/共104頁面心立方面心立方(fcc)中中間隙擴散中的幾率間隙擴散中的幾率P P第59頁/共104頁如果如果n1n2，則晶面，則晶面2上凈增加的原子數(shù)為上凈增加的原子數(shù)為 ： tnnNN 2

11、1122161 ：tntPnNtntPnN 22121121212212第60頁/共104頁ddXdCCC 12第61頁/共104頁將體積濃度將體積濃度C=n/a代入上式可得代入上式可得dxdCdnnddxdCdndn21212 dxdCdnntNNJ 22112216161第62頁/共104頁根據(jù)菲克第一定律根據(jù)菲克第一定律）（4612 dD第63頁/共104頁AZvdD2061 kTGAZvddDexp616122 261dD kTQDDexp0第64頁/共104頁擴擴 散散 元元 素素 基基 體體 金金 屬屬 D0 /(10-5m2/s) Q / (103J/mol) C -Fe 2.0

12、 140 C -Fe 0.20 84 N -Fe 0.33 144 N -Fe 0.46 75 Fe -Fe 19 239 Fe -Fe 1.9 270 Ni -Fe 4.4 283 Mn -Fe 5.7 277 Cu Al 0.84 136 Zn Cu 2.1 171 Ag Ag（晶內擴散）（晶內擴散） 7.2 190 Ag Ag（晶界擴散）（晶界擴散） 1.4 90 第65頁/共104頁第66頁/共104頁4.4 影響擴散的因素影響擴散的因素nD0和和Q可隨合金成分以及擴散機制的不同而變化可隨合金成分以及擴散機制的不同而變化 DD0exp(-Q/RT)（15）第67頁/共104頁第68頁/

13、共104頁第69頁/共104頁第70頁/共104頁第71頁/共104頁在晶界和自由表面附近，點陣在晶界和自由表面附近，點陣畸變嚴重，空位密度和空位的畸變嚴重，空位密度和空位的遷移率均比晶內高，因此面缺遷移率均比晶內高，因此面缺陷處擴散激活能較低，借助空陷處擴散激活能較低，借助空位擴散機制的擴散容易進行位擴散機制的擴散容易進行設想在垂直于雙晶體晶界的外設想在垂直于雙晶體晶界的外表面上鍍一層擴散物質表面上鍍一層擴散物質M（或同（或同位素示蹤原子），使其擴散，位素示蹤原子），使其擴散，發(fā)現(xiàn)物質發(fā)現(xiàn)物質M擴散到晶格去的深度擴散到晶格去的深度要比擴散到晶界和外表面的小要比擴散到晶界和外表面的小得多得多第

14、72頁/共104頁第73頁/共104頁n多晶銀（直線多晶銀（直線1）的斜率約為單晶）的斜率約為單晶銀（直線銀（直線2）的斜率的二分之一，）的斜率的二分之一，表明晶界擴散激活能約為體擴散表明晶界擴散激活能約為體擴散激活能的一半激活能的一半多晶銀和單晶銀的擴散系數(shù)與多晶銀和單晶銀的擴散系數(shù)與1/T的關系的關系 700以下以下 多晶銀中包含晶多晶銀中包含晶界擴散界擴散,自擴散自擴散系數(shù)比單晶銀的系數(shù)比單晶銀的大大 scmRTD26400exp103 . 251 scmRTD95.45exp859. 02 第74頁/共104頁第75頁/共104頁第76頁/共104頁n如未變形的鉭片在滲碳介質中于如未變

15、形的鉭片在滲碳介質中于1900保持保持12h，其表面上所形成的滲碳層，其表面上所形成的滲碳層厚度小于厚度小于0.01mmn經過經過75%變形后，經過變形后，經過1h的滲碳就能形成厚度為的滲碳就能形成厚度為0.6mm的滲碳層，滲碳速度的滲碳層，滲碳速度提高了提高了720多倍多倍第77頁/共104頁（1）擴散系數(shù)隨晶體結構的改變而變化）擴散系數(shù)隨晶體結構的改變而變化第78頁/共104頁第79頁/共104頁n各向異性晶體的各方向原子間距不一樣，擴散系數(shù)也不相同各向異性晶體的各方向原子間距不一樣，擴散系數(shù)也不相同n擴散系數(shù)的各向異性在立方晶體中幾乎不存在，但對對稱性交叉的晶體擴散系數(shù)的各向異性在立方晶

16、體中幾乎不存在，但對對稱性交叉的晶體結構中表現(xiàn)顯著。結構中表現(xiàn)顯著。n具有菱方結構的鉍有明顯方向性具有菱方結構的鉍有明顯方向性n平行于平行于0001方向上擴散系數(shù)小于垂直方向上的擴散系數(shù)方向上擴散系數(shù)小于垂直方向上的擴散系數(shù)n密排六方晶系的鋅密排六方晶系的鋅n平行于底面的平行于底面的D0.13exp(-21800/RT)n垂直于底面的垂直于底面的D=0.58exp(-24800/RT)n因為平行因為平行0001方向上的擴散，原子要通過原子排列最密的（方向上的擴散，原子要通過原子排列最密的（0001）面，所以要困難一些，這種異向性隨溫度升高逐漸減小）面，所以要困難一些，這種異向性隨溫度升高逐漸減

17、小第80頁/共104頁第81頁/共104頁第82頁/共104頁第83頁/共104頁第84頁/共104頁第85頁/共104頁第86頁/共104頁第87頁/共104頁n 1.加入加入4%的鈷可使碳在的鈷可使碳在-Fe中的擴散中的擴散速率增加一倍速率增加一倍n 2.加入加入3%Mo或或W，則使其減小一半，則使其減小一半，Mo對碳在對碳在-Fe中擴散的影響還與溫度中擴散的影響還與溫度有關，當溫度低于有關，當溫度低于1100時，擴散速率時，擴散速率減慢；高于減慢；高于1100時則加速時則加速n 3.Mn和和Ni對對C在在-Fe中的擴散無影響中的擴散無影響第88頁/共104頁a.形成碳化物元素形成碳化物元

18、素 b.形成不穩(wěn)定碳化物形成不穩(wěn)定碳化物 c.不形成碳化物而溶于固溶不形成碳化物而溶于固溶體中的元素體中的元素 影響各不相同，如影響各不相同，如Co、Ni可提高可提高C的擴散系數(shù)，的擴散系數(shù)，而而Si則降低碳的擴散系數(shù)則降低碳的擴散系數(shù)如如Mn對碳的擴散影響不對碳的擴散影響不大大如如W、Mo、Cr等降低碳等降低碳的擴散系數(shù)的擴散系數(shù)第89頁/共104頁第90頁/共104頁純鐵滲氮層的濃度變純鐵滲氮層的濃度變化化氮的濃度氮的濃度是突變的是突變的，不存在，不存在兩相區(qū)兩相區(qū)Fe-N相圖相圖 純鐵純鐵520為含為含氮的氮的固溶固溶體體，以，以Fe3N為基為基的固的固溶體溶體，以，以Fe4N為為基的固基的固溶體溶體第91頁/共104頁氮的濃度氮的濃度是突變的是突變的，不存在