固體中原子以及分子運(yùn)動

1、關(guān)于固體中原子及分子的運(yùn)動第一張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月擴(kuò)散過程的分類按濃度：互擴(kuò)散，自擴(kuò)散按方向：順擴(kuò)散，逆擴(kuò)散按路徑：體擴(kuò)散，表面擴(kuò)散，晶界擴(kuò)散第二張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月怎樣研究擴(kuò)散表象理論:原子理論:影響因素:實(shí)際應(yīng)用:第三張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月7.1 表象理論（擴(kuò)散方程） 完全混合部分混合時間加入染料水第四張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月Fe-C合金碳源固體物質(zhì)間的擴(kuò)散第五張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月高碳含量區(qū)域低碳含量區(qū)域碳的擴(kuò)散方向Fe-C合金碳源第六張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月7.1.1

2、 菲克第一定律(Ficks first law)J=-Dddx穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散J: 擴(kuò)散通量(mass flux), kg/(m2s)D: 擴(kuò)散系數(shù)(diffusivity), m2/s: 質(zhì)量濃度，kg/m3 : 濃度梯度12dxJ(12)第七張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月7.1.2 菲克第二定律大多數(shù)擴(kuò)散過程是非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程，某一點(diǎn)的濃度是隨時間而變化的，這類過程可由菲克第一定律結(jié)合質(zhì)量守恒條件導(dǎo)出來處理。下式為菲克第二定律：該方程稱為菲克第二定律或擴(kuò)散第二定律。如果假定D與濃度無關(guān)，則上式可簡化為：菲克第二定律普遍式為:第八張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月不同坐標(biāo)系中的菲克

3、第二定律 柱坐標(biāo)系中:柱對稱擴(kuò)散, D與濃度無關(guān)菲克第二定律的表達(dá)應(yīng)用: 分析純鐵空心圓筒的高溫滲碳問題。 球坐標(biāo)系中:球?qū)ΨQ擴(kuò)散, D與濃度無關(guān)菲克第二定律的表達(dá) 應(yīng)用: 分析過飽和固溶體析出第二相的過程。第九張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月7.1.3 菲克擴(kuò)散定律的應(yīng)用模型:氫通過金屬膜的擴(kuò)散達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的邊界條件: C(x=0)=C2 C(x=)=C1 求解結(jié)果:氫在金屬膜的濃度為線性分布第十張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月平視方向俯視方向應(yīng)用：測定碳在-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)2r2l2r12r12r2lr1000CC第十一張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月穩(wěn)態(tài)時:

4、單位時間內(nèi)通過半徑為r(r2r0)=C1 C(t=0,x0,x=)=C1 C(t0,x=-)=C2求解結(jié)果:第十四張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月模型:一端成分不受擴(kuò)散影響的擴(kuò)散體邊界條件: C(t=0,x0)=C0 C(t0,x=0)=Cs C(t0,x=)=C0求解結(jié)果:假定滲碳一開始，滲碳源一端表面就達(dá)到滲碳?xì)夥盏奶假|(zhì)量濃度rs，則：第十五張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月模型:衰減薄膜源 在金屬B的長棒一端沉積一薄層金屬A，將這樣的兩個樣品連接起來，就形成在兩個金屬B棒之間的金屬A薄膜源，然后將此擴(kuò)散偶進(jìn)行擴(kuò)散退火，那么在一定的溫度下，金屬A溶質(zhì)在金屬B棒中的濃度將隨

5、退火時間t而變。 求解結(jié)果:當(dāng)擴(kuò)散系數(shù)與濃度無關(guān)時，這類擴(kuò)散偶的方程解是： 第十六張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月7.1.4 柯肯達(dá)爾效應(yīng) 柯肯達(dá)爾實(shí)驗(yàn)描述黃銅與銅構(gòu)成擴(kuò)散偶;鉬絲僅為參照物,不擴(kuò)散;黃銅熔點(diǎn)低于銅;擴(kuò)散組元為銅和鋅;銅和鋅構(gòu)成置換式固溶體;擴(kuò)散在785C進(jìn)行。 柯肯達(dá)爾實(shí)驗(yàn)結(jié)果第十七張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論假設(shè)銅、鋅的擴(kuò)散系數(shù)相等，相對鉬絲進(jìn)行等原子的交換，由于鋅的原子尺寸大于銅，擴(kuò)散后外圍的銅點(diǎn)陣常數(shù)增大，而內(nèi)部的黃銅點(diǎn)陣常數(shù)縮小，使鉬絲向內(nèi)移；如果點(diǎn)陣常數(shù)的變化是鉬絲移動的唯一原因，那么移動的距離只應(yīng)該有觀察值的十分之一左右；

6、實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能說明，擴(kuò)散過程中鋅的擴(kuò)散流要比銅的擴(kuò)散流大得多，這個大小的差別是鉬絲內(nèi)移的主要原因；而且還發(fā)現(xiàn)標(biāo)志面移動的距離與時間的平方根成正比；在Cu-Sn， Cu-Ni， Cu-Au， Ag-Au， Ag-Zn， Ni-Co，Ni-Cu，Ni-Au等置換式固溶體中都會發(fā)生這種現(xiàn)象；標(biāo)志物總是向著含低熔點(diǎn)組元較多的一方移動。相對而言，低熔點(diǎn)組元擴(kuò)散快，高熔點(diǎn)組元擴(kuò)散慢。正是這種不等量的原子交換造成了克根達(dá)耳效應(yīng)。第十八張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月7.2 擴(kuò)散的原子理論原子行走與擴(kuò)散第十九張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月示蹤原子第二十張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年

7、6月主要的擴(kuò)散機(jī)制交換機(jī)制間隙機(jī)制空位機(jī)制界面擴(kuò)散空位機(jī)制第二十一張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月擴(kuò)散與原子的隨機(jī)行走晶體中原子的行走是隨機(jī)的 方向 距離擴(kuò)散系數(shù)與原子行走間的關(guān)系 愛因斯坦方程第二十二張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月間隙固溶體：溶質(zhì)原子的擴(kuò)散一般是從一個間隙位置跳躍到其近鄰的另一個間隙位置。間隙原子從位置1跳到位置2的能壘GG2-G1，因此只有那些自由能超過G2的原子才能發(fā)生跳躍。7.3 擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算第二十三張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月所以有:式中D0為擴(kuò)散常數(shù)；U是間隙擴(kuò)散時溶質(zhì)原子跳躍所需額外的熱力學(xué)內(nèi)能，等于間隙原子的擴(kuò)散激活能Q。上

8、述式的擴(kuò)散系數(shù)遵循阿累尼烏斯（Arrhenius）方程：。第二十四張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月7.4 擴(kuò)散激活能的計(jì)算當(dāng)晶體中的原子以不同方式擴(kuò)散，所需的擴(kuò)散激活能Q值是不同的。在間隙擴(kuò)散機(jī)制中，Q=U；在空位擴(kuò)散機(jī)制中，Q=U+UV。除此外，還有晶界擴(kuò)散、表面擴(kuò)散、位錯擴(kuò)散，它們的擴(kuò)散激活能是各不相同的，因此，求出某種條件的擴(kuò)散激活能，對于了解擴(kuò)散的機(jī)制是非常重要的。根據(jù)擴(kuò)散系數(shù)的一般表達(dá)式，有第二十五張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月7.5 影響擴(kuò)散的因素溫度溫度是影響擴(kuò)散速率的最主要因素。溫度越高，原子熱激活能量越大，越易發(fā)生遷移，擴(kuò)散系數(shù)越大。固溶體類型 不同類型

9、的固溶體，原子的擴(kuò)散機(jī)制是不同的。因此擴(kuò)散激活能也不同。第二十六張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)對擴(kuò)散有影響，有些金屬存在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，當(dāng)它們的晶體結(jié)構(gòu)改變后，擴(kuò)散系數(shù)也隨之發(fā)生較大的變化。例如鐵在912時發(fā)生-Fe-Fe轉(zhuǎn)變，-Fe的自擴(kuò)散系數(shù)大約是-Fe的240倍。所有元素在-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)都比在-Fe中大，其原因是體心立方結(jié)構(gòu)的致密度比面心立方結(jié)構(gòu)的致密度小，原子較易遷移。晶體缺陷若以QL，QS和QB別表示晶內(nèi)、表面和晶界擴(kuò)散激活能；DL，DS和DB分別表示晶內(nèi)、表面和晶界的擴(kuò)散系數(shù)，則一般規(guī)律是：QLQBQS，所以DSDBDL。晶界、表面和位錯等對擴(kuò)散起著快

10、速通道的作用，這是由于晶體缺陷處點(diǎn)陣畸變較大，原子處于較高的能量狀態(tài)，各種缺陷處的擴(kuò)散激活能均比晶內(nèi)擴(kuò)散激活能小，加快了原子的擴(kuò)散。第二十七張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月成分的影響 (1)組元特性 原子在點(diǎn)陣中擴(kuò)散需要克服能壘，即需要部分地破壞鄰近原子的結(jié)合鍵才能實(shí)現(xiàn)躍遷，因此擴(kuò)散激活能必然和表征原子間結(jié)合力的微觀參量及宏觀參量有關(guān)。 從微觀參量講，固溶體中組元的原子尺寸相差愈大，畸變能就愈大，溶質(zhì)原子離開畸變位置進(jìn)行擴(kuò)散愈容易，則Q愈小，而D值愈大；組元間的親和力愈強(qiáng)，即負(fù)電性相差愈大，則溶質(zhì)原子的擴(kuò)散愈難. 通常溶解度越小的元素?cái)U(kuò)散越容易進(jìn)行。第二十八張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 應(yīng)力作用第二十九張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 不同金屬的自擴(kuò)散激活能與其點(diǎn)陣的原子間結(jié)合力有關(guān)，因而與表征原子間結(jié)合力的宏觀參量，如熔點(diǎn)、熔化潛熱、體積膨脹或壓縮系數(shù)相關(guān)，熔點(diǎn)高的金屬的自擴(kuò)散激活能必然大。第三十張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(2)組元濃度 一般來說,擴(kuò)散系