固体中原子及分子的运动.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,meg/,aol,02,第四章 固体中原子及分子的运动,物质的传输方式,气体：,扩散+对流,固体：,扩散,液体：,扩散+对流,金属,陶瓷,高分子,键属金,离,子,键,共价键,扩散机制不同,扩散过程的分类,按浓度：互扩散，自扩散,按方向：顺扩散，逆扩散,按路径：体扩散，表面扩散，晶界扩散,怎样研究扩散,表象理论,:,原子理论,:,影响因素,:,实际应用,:,4.1,表象理论,完全混合,部分,混合,时间,加入,染料,水,Fe-C,合金,碳源,固体物质间的扩散,高碳含量区域,低碳含量区域,碳的扩散方向,Fe-C,合金,碳源,4.1.1,菲克第一定律(,Ficks,first law),J,=,-,D,d,d,x,稳态扩散,J:,扩散通量(,mass flux),kg/(m,2,s),D:,扩散系数(,diffusivity),m,2,/s,:,质量浓度，,kg/m,3,:,浓度梯度,1,2,dx,J,(,1,2,),4.1.2,菲克第二定律,大多数扩散过程是非稳态扩散过程，某一点的浓度是随时间而变化的，这类过程可由菲克第一定律结合质量守恒条件导出来处理。下式为菲克第二定律：,该方程称为菲克第二定律或扩散第二定律。如果假定,D,与浓度无关，则上式可简化为：,菲克第二定律普遍式为,:,不同坐标系中的菲克第二定律,柱坐标系中,:,柱对称扩散,D,与浓度无关,菲克第二定律,的,表达,应用,:,分析纯铁空心圆筒的高温渗碳问题。,球坐标系中,:,球对称扩散,D,与浓度无关菲克第二定律的表达,应用,:,分析过饱和固溶体析出第二相的过程。,4.1.3,菲克扩散定律的应用,模型,:,氢通过金属膜的扩散,达到稳态时的边界条件,:,C(x,=0)=C,2,C(x,=,)=C,1,求解结果,:,氢在金属膜的浓度为线性分布,平视方向,俯视方向,应用：测定碳在,-,Fe,中的扩散系数,2,r,2,l,2,r,1,2,r,1,2,r,2,l,r,1000,C,C,稳态时:单位时间内通过半径为,r(r,2,r0)=C,1,C(t,=0,x0,x=,)=C,1,C(t,0,x=-)=C,2,求解结果,:,模型,:,一端成分不受扩散影响的扩散体,边界条件,:,C(t,=0,x0)=C,0,C(t,0,x=,0,)=Cs,C(t,0,x=)=C,0,求解结果,:,假定渗碳一开始，渗碳源一端表面就达到渗碳气氛的碳质量浓度,r,s,，则：,模型,:,衰减薄膜源,在金属,B,的长棒一端沉积一薄层金属,A,，将这样的两个样品连接起来，就形成在两个金属,B,棒之间的金属,A,薄膜源，然后将此扩散偶进行扩散退火，那么在一定的温度下，金属,A,溶质在金属,B,棒中的浓度将随退火时间,t,而变。,求解结果,:,当扩散系数与浓度无关时，这类扩散偶的方程解是：,4.1.4,柯肯达尔效应,柯肯达尔实验描述,黄铜与铜构成扩散偶,;,钼丝仅为参照物,不扩散,;,黄铜熔点低于铜,;,扩散组元为铜和锌,;,铜和锌构成置换式固溶体,;,扩散在,785,C,进行。,柯肯达尔实验结果,实验结果的分析讨论,假设铜、锌的扩散系数相等，相对钼丝进行等原子的交换，由于锌的原子尺寸大于铜，扩散后外围的铜点阵常数增大，而内部的黄铜点阵常数缩小，使钼丝向内移；,如果点阵常数的变化是钼丝移动的唯一原因，那么移动的距离只应该有观察值的十分之一左右；,实验结果只能说明，扩散过程中锌的扩散流要比铜的扩散流大得多，这个大小的差别是钼丝内移的主要原因；,而且还发现标志面移动的距离与时间的平方根成正比；,在,Cu-,Sn,，,Cu-Ni,，,Cu-Au,，,Ag-Au,，,Ag-Zn,，,Ni-Co,，,Ni-Cu,，,Ni-Au,等置换式固溶体中都会发生这种现象；,标志物总是向着含低熔点组元较多的一方移动。相对而言，低熔点组元扩散快，高熔点组元扩散慢。正是这种不等量的原子交换造成了克根达耳效应。,