Part3固体扩散机制及扩散系数理解.ppt

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1、Part 3 固体扩散机制及扩散系数理解,材料科学与工程 专业课,宏观扩散现象,微观原子迁移, 迁移难易程度 ？, 迁移机制 ？,4.2.1. 扩散机制,微观原子迁移, 迁移机制 ？,c,d,b,a,晶体中的扩散机制a-直接交换 b-环形交换 c-空位 d-间隙 e-推填 f-挤列,e,f,迁移机制,间隙间隙,（1）间隙机制,置换原子的扩散机理,间隙原子的扩散机理,平衡位置间隙间隙：较困难；,（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。,a) 空位扩散示意图 b) 空位附近的势能曲线,（3）换位机制,直接换位（所需能量较高）,换位扩散示意图,环形换位（所引起的畸变小）

2、,结论：DSDBDL,图: DL、DB和DS关系图,(4) 晶界扩散及表面扩散,多晶材料，扩散物质可沿三种不同路径进行：晶体内扩散 （DL）晶界扩散 （DB）自由表面扩散（DS）分别用DL和DB和DS表示三者的扩散系数值.,说明,三种模型微观运动难以观察,晶体结构控制微观运动机制,主要方式空位及间隙,三种模型微观运动难以观察,Fick定律,Einstein扩散方程,4.2.2. 扩散系数,扩散布朗运动理论,宏观上定量描述了扩散行为，将浓度以外的一切影响因素均包括于扩散系数D之中，但并未赋予其明确意义。,用统计方法得到扩散方程，并使宏观扩散系数与质点的微观运动得到联系。,：几何因子：原子迁移自由

3、程，与a0对应 P：易位概率：跃迁频率,以跃迁距离、跃迁频率为基本因素,（晶体结构决定）,空位扩散系数,间隙扩散系数,1）空位机构空位扩散系数易位概率P正比于该温度下空位浓度 Gf空位形成能T下，成功跃过势垒的跃迁频率与原子振动频率0和迁移活化能Gm有关原子迁移自由程与a0对应,由：GHTS,2）间隙机构间隙扩散系数晶体间隙浓度往往很小，间隙原子周围往往都空着，可供其跃迁的位置概率P100间隙原子扩散无需形成能，只需迁移能,对于本征扩散： 空位扩散活化能：形成能迁移能 间隙扩散活化能：间隙原子迁移能,扩散系数具有统一表达式：,D0：频率因子，与温度无关项；Q：扩散活化能.,空位机制、间隙机制D0表达方式,激活能与扩散的关系,影响激活能的因素：,原子间的结合力,原子排列的紧密程度,原子间距,晶体结构,激活能越大,扩散越困难,高温,扩散系数与温度的关系,当原子在高温和低温中以两种不同的机制进行扩散时，由于激活能的不同，将在lnD-1/T图中出现两段不同斜率的折线。,lnD-1/T：呈线性关系; 斜率为-Q/R,