固体扩散机制及扩散系数理解VIP免费

Part3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②迁移难易程度？①迁移机制？4.2.1.扩散机制微观原子迁移①迁移机制？cdba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ef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）晶格扩散晶界扩散表面扩散亚晶界扩散结论：DS>DB>DL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.晶格扩散晶界扩散表面扩散亚晶界扩散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EinsteinEinstein扩散方程扩散方程4.2.2.扩散系数扩扩散散布布朗朗运运动动理理论论宏观上宏观上定量描述了扩散行为，将浓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度以外的一切影响因素均包括于扩散系数散系数DD之中，但并未赋予其明确之中，但并未赋予其明确意义。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。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。2DP2DPλ1λ2λ3λnλ:分子在相继两次运动之间通过的路程γγ：几何因子：几何因子λλ：原子迁移自由程，与：原子迁移自由程，与aa00对应对应PP：易位概率：易位概率νν：跃迁频率：跃迁频率以以跃迁距离跃迁距离、、跃迁频率跃迁频率为基本因素为基本因素（晶体结构决定）（晶体结构决定）2DP空位扩散系数间隙扩散系数11）空位机构－空位扩散系数）空位机构－空位扩散系数•易位概率易位概率PP正比于该温度下空位浓度正比于该温度下空位浓度ΔGΔGff－空位形成能－空位形成能•TT下，成功跃过势垒的下，成功跃过势垒的跃迁频率跃迁频率νν与原子振动频率与原子振动频率νν00和和迁移活化能迁移活化能ΔGΔGmm有关有关•原子迁移自由程原子迁移自由程λλ－与－与aa00对应对应0exp(/)mGRT2DPPexp(/2)vfnGRTN由：由：ΔGΔG＝＝ΔHΔH－－TΔSTΔS空位形成熵空位形成熵迁移熵迁移熵空位形成能空位形成能迁移焓迁移焓200exp((2)/2)mfDavGGRT200/2/2exp()exp()fmfmSSHHDavRRT22）间隙机构－间隙扩散系数）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，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可供其跃迁的位置概率PP～～100100％％间隙原子扩散无需形成能，只需迁移能间隙原子扩散无需形成能，只需迁移能200exp(/)mDavGRT200exp()exp()mmSHDavRRT0exp()QDDRT对于本征扩散：对于本征扩散：空位扩散活化能：空位扩散活化能：形成能＋迁移能形成能＋迁移能间隙扩散活化能：间隙扩散活化能：间隙原子迁移能间隙原子迁移能扩散系数具有统一表达式：扩散系数具有统一表达式：DD00：频率因子，与温度无关项；：频率因子，与温度无关项；QQ：扩散活化能：扩散活化能..200exp()exp()mmSHDavRRT空位机制、间隙机制D0表达方式0exp()DTDQR200/2/2exp()exp()fmfmSSHHDavRRT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激活能越大扩散越困难扩散越困难高温lnDlnD01/Tk=-Q/R扩散系数与温度的关系RTQDD0lnln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