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1、第六章第六章擴(kuò)擴(kuò) 散散1優(yōu)質(zhì)課 固體中遷移固體中遷移 固體中原子在熱運(yùn)動(dòng)下的位置轉(zhuǎn)移固體中原子在熱運(yùn)動(dòng)下的位置轉(zhuǎn)移 擴(kuò)散擴(kuò)散 原子熱運(yùn)動(dòng)造成物質(zhì)的宏觀流動(dòng)；原子熱運(yùn)動(dòng)造成物質(zhì)的宏觀流動(dòng)；是物質(zhì)的輸運(yùn)過(guò)程；是物質(zhì)的輸運(yùn)過(guò)程；與熱傳導(dǎo)相似與熱傳導(dǎo)相似 與電的傳導(dǎo)相似與電的傳導(dǎo)相似 第一節(jié) 固體中原子的遷移 2優(yōu)質(zhì)課第一節(jié) 固體中原子的遷移 E*-激活能激活能 固體中參與反應(yīng)的固體中參與反應(yīng)的原子超過(guò)原子平均能量原子超過(guò)原子平均能量的附加能量，的附加能量，J/molJ/molE-原子平均能量原子平均能量E*-在特定溫度下的能在特定溫度下的能量量Er-反應(yīng)物的能量反應(yīng)物的能量Ep-產(chǎn)物的能量產(chǎn)物的能量
2、一、熱激活固態(tài)反應(yīng)的激活能一、熱激活固態(tài)反應(yīng)的激活能3優(yōu)質(zhì)課二、二、Arrhenius速率定律速率定律lnV=C-E*/RTV-固態(tài)反應(yīng)速率固態(tài)反應(yīng)速率C-常數(shù)常數(shù)E*-激活能激活能R-摩爾氣體常數(shù)（摩爾氣體常數(shù)（8.314J/molk）T-反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度研究溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響研究溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響大多數(shù)的固態(tài)反應(yīng)都服從大多數(shù)的固態(tài)反應(yīng)都服從Arrhenius速率定律速率定律lnV和和1/T 為線性關(guān)系，可以從斜率為線性關(guān)系，可以從斜率-E*/R中計(jì)算出激活能中計(jì)算出激活能E*第一節(jié)第一節(jié) 固體中原子的遷移固體中原子的遷移 4優(yōu)質(zhì)課一、擴(kuò)散機(jī)制一、擴(kuò)散機(jī)制1.空位機(jī)制空位機(jī)制 通過(guò)原子與
3、空位交換位置實(shí)現(xiàn)原子的遷移通過(guò)原子與空位交換位置實(shí)現(xiàn)原子的遷移?？瘴粩U(kuò)散機(jī)制的條件：空位擴(kuò)散機(jī)制的條件：擴(kuò)散原子的近鄰有空位，同時(shí)空位周?chē)脑颖仨氂谐瑪U(kuò)散原子的近鄰有空位，同時(shí)空位周?chē)脑颖仨氂谐^(guò)能壘的自由能。過(guò)能壘的自由能。金屬的自擴(kuò)散屬于空位機(jī)制擴(kuò)散；金屬的自擴(kuò)散屬于空位機(jī)制擴(kuò)散；置換固溶體中的擴(kuò)散（置換固溶體中的擴(kuò)散（Cu/Ni擴(kuò)散偶）屬于空位機(jī)制擴(kuò)擴(kuò)散偶）屬于空位機(jī)制擴(kuò)散；散；金屬的熔點(diǎn)高其激活能也越高；金屬的熔點(diǎn)高其激活能也越高；原子移動(dòng)方向和空位移動(dòng)方向相反原子移動(dòng)方向和空位移動(dòng)方向相反第二節(jié)第二節(jié) 固體中原子的擴(kuò)散固體中原子的擴(kuò)散 5優(yōu)質(zhì)課空位機(jī)制擴(kuò)散空位機(jī)制擴(kuò)散6優(yōu)質(zhì)課C
4、u/Ni擴(kuò)散偶（1）7優(yōu)質(zhì)課Cu/Ni擴(kuò)散偶（2）8優(yōu)質(zhì)課一、擴(kuò)散機(jī)制一、擴(kuò)散機(jī)制2.間隙機(jī)制間隙機(jī)制 間隙原子在間隙固溶體中從一個(gè)間隙位置跳到另一個(gè)間隙原子在間隙固溶體中從一個(gè)間隙位置跳到另一個(gè)間隙位置的原子的遷移過(guò)程間隙位置的原子的遷移過(guò)程?？瘴粩U(kuò)散機(jī)制的條件：空位擴(kuò)散機(jī)制的條件：溶原子必須具有擠開(kāi)溶劑原子進(jìn)入相鄰的間隙位置周?chē)茉颖仨毦哂袛D開(kāi)溶劑原子進(jìn)入相鄰的間隙位置周?chē)募せ钅?。的激活能。鋼的滲碳（鋼的滲碳（E*c=140kj/mol,E*c =270kj/mol）鋼的氮化鋼的氮化間隙機(jī)構(gòu)引起晶格變形大，只有間隙原子與晶格位置上間隙機(jī)構(gòu)引起晶格變形大，只有間隙原子與晶格位置上的原子尺
5、寸相比較是很小時(shí)，才會(huì)發(fā)生。的原子尺寸相比較是很小時(shí)，才會(huì)發(fā)生。第二節(jié)第二節(jié) 固體中原子的擴(kuò)散固體中原子的擴(kuò)散 9優(yōu)質(zhì)課間隙機(jī)制擴(kuò)散10優(yōu)質(zhì)課一、擴(kuò)散機(jī)制一、擴(kuò)散機(jī)制3.其它擴(kuò)散機(jī)制其它擴(kuò)散機(jī)制 晶界擴(kuò)散晶界擴(kuò)散 位錯(cuò)擴(kuò)散位錯(cuò)擴(kuò)散第二節(jié)第二節(jié) 固體中原子的擴(kuò)散固體中原子的擴(kuò)散 11優(yōu)質(zhì)課第二節(jié)第二節(jié) 固體中原子的擴(kuò)散固體中原子的擴(kuò)散 二、擴(kuò)散方程二、擴(kuò)散方程1.穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散-Fick第一定律第一定律（1）模型：）模型：在垂直面相距（在垂直面相距（X X2 2-X-X1 1)的兩平行原子面的兩平行原子面之間的擴(kuò)散，經(jīng)過(guò)時(shí)間之間的擴(kuò)散，經(jīng)過(guò)時(shí)間t t后，在后，在X X2 2和和X X1 1處的
6、溶質(zhì)處的溶質(zhì)原子濃度分別為原子濃度分別為C1C1和和C2,C2,并不隨時(shí)間變化。并不隨時(shí)間變化。12優(yōu)質(zhì)課第二節(jié)第二節(jié) 固體中原子的擴(kuò)散固體中原子的擴(kuò)散 二、擴(kuò)散方程二、擴(kuò)散方程1.穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散-Fick第一定律第一定律（2）Fick第一定律第一定律 J=-D dC/dx濃度梯度（濃度梯度（gradient）=dC/dx（斜率（斜率（slope）,量量綱為綱為ML-3D：擴(kuò)散係數(shù)（：擴(kuò)散係數(shù)（coefficient），量綱為，量綱為L(zhǎng)2T-1表示通過(guò)某一界面的擴(kuò)散流量與垂直這個(gè)界面方向濃度表示通過(guò)某一界面的擴(kuò)散流量與垂直這個(gè)界面方向濃度梯度成正比，其方向與濃度降落方向一致。梯度成正比，其方
7、向與濃度降落方向一致。負(fù)號(hào)表示原子的擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反（濃度由負(fù)號(hào)表示原子的擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反（濃度由低到高為正，擴(kuò)散方向由高到低為負(fù)）低到高為正，擴(kuò)散方向由高到低為負(fù)）13優(yōu)質(zhì)課第二節(jié)第二節(jié) 固體中原子的擴(kuò)散固體中原子的擴(kuò)散)/(/xCDxtC二、擴(kuò)散方程二、擴(kuò)散方程2.非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散-Fick第二定律第二定律擴(kuò)散濃度在擴(kuò)散過(guò)程中隨時(shí)間變化擴(kuò)散濃度在擴(kuò)散過(guò)程中隨時(shí)間變化(dc/dt0)對(duì)于擴(kuò)散系數(shù)與時(shí)間無(wú)關(guān)的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，可用對(duì)于擴(kuò)散系數(shù)與時(shí)間無(wú)關(guān)的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，可用Fick第二定律：第二定律：如如D為常數(shù)為常數(shù)22/xCDtC14優(yōu)質(zhì)課常例：?jiǎn)蜗驘o(wú)限（semi-infin
8、ite），氣體偏壓固定邊界條件C=Cs at x=o，C=C0 at x=，初始條件C=C0 at t=o誤差函數(shù)（error function）：)2/(1)/(00DtxerfCCCCsxzdyyzerf02)exp(/2)(15優(yōu)質(zhì)課一、溫度對(duì)擴(kuò)散的影響一、溫度對(duì)擴(kuò)散的影響擴(kuò)散系數(shù)越大擴(kuò)散系數(shù)越大D=D0exp(-E*/(RT)E*：激活激活能（能（activation energy）in J/mol,cal/mol or eV/atom，移動(dòng)原子所需能量移動(dòng)原子所需能量。Fe in-Fe：3.0 x 10-21 m2/s at 500 ，1.8 x 10-15 m2/s at 900
9、。溫度越高，原子的能量越大，越容易發(fā)生遷移，溫度越高，原子的能量越大，越容易發(fā)生遷移，擴(kuò)散系數(shù)越大。擴(kuò)散系數(shù)越大。第三節(jié)第三節(jié) 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 16優(yōu)質(zhì)課二、固溶體類(lèi)型對(duì)擴(kuò)散的影響二、固溶體類(lèi)型對(duì)擴(kuò)散的影響間隙固溶體的擴(kuò)散激活能一般都很小間隙固溶體的擴(kuò)散激活能一般都很小在獲得同樣濃度時(shí)，滲碳、滲氮比滲金屬在獲得同樣濃度時(shí)，滲碳、滲氮比滲金屬的周期短的周期短第三節(jié)第三節(jié) 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 17優(yōu)質(zhì)課三、晶體結(jié)構(gòu)對(duì)擴(kuò)散的影響三、晶體結(jié)構(gòu)對(duì)擴(kuò)散的影響l擴(kuò)散系數(shù)隨同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變變化較大擴(kuò)散系數(shù)隨同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變變化較大-Fe的自擴(kuò)散系數(shù)是的自擴(kuò)散系數(shù)是-Fe的的240倍倍 在在52
10、7，氮在，氮在-Fe的自擴(kuò)散系數(shù)比的自擴(kuò)散系數(shù)比-Fe大大1500倍倍l結(jié)構(gòu)不同的固溶體對(duì)擴(kuò)散元素的溶解度是不同的，由此結(jié)構(gòu)不同的固溶體對(duì)擴(kuò)散元素的溶解度是不同的，由此造成的濃度梯度不同，也會(huì)影響擴(kuò)散速度造成的濃度梯度不同，也會(huì)影響擴(kuò)散速度問(wèn)題問(wèn)題-C C在在-Fe-Fe中的溶解度為中的溶解度為0.02%0.02%，而在，而在-Fe-Fe的最大溶解的最大溶解度為度為2.21%2.21%，相差，相差100100倍；而且倍；而且C C在在-Fe-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)中的擴(kuò)散系數(shù)比比-Fe-Fe大很多，為什么在工業(yè)上還要選擇在大很多，為什么在工業(yè)上還要選擇在-Fe-Fe的固的固溶體中滲碳？溶體中滲碳？滲
11、碳層深度滲碳層深度滲碳的溫度影響滲碳的溫度影響第三節(jié)第三節(jié) 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 18優(yōu)質(zhì)課四、濃度對(duì)擴(kuò)散的影響四、濃度對(duì)擴(kuò)散的影響組元的擴(kuò)散系數(shù)隨濃度的變化而變化，但組元的擴(kuò)散系數(shù)隨濃度的變化而變化，但當(dāng)固溶體濃度較低，或擴(kuò)散濃度變化不大當(dāng)固溶體濃度較低，或擴(kuò)散濃度變化不大時(shí)，在求解擴(kuò)散方程過(guò)程中，可以認(rèn)為影時(shí)，在求解擴(kuò)散方程過(guò)程中，可以認(rèn)為影響不大。響不大。第三節(jié)第三節(jié) 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 19優(yōu)質(zhì)課五、合金元素對(duì)擴(kuò)散的影響五、合金元素對(duì)擴(kuò)散的影響l 碳化物形成元素阻礙擴(kuò)散碳化物形成元素阻礙擴(kuò)散l 非穩(wěn)定碳化物形成元素影響不大非穩(wěn)定碳化物形成元素影響不大l 非碳化物形成元
12、素影響各不相同非碳化物形成元素影響各不相同第三節(jié)第三節(jié) 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 20優(yōu)質(zhì)課第三節(jié)第三節(jié) 影響擴(kuò)散的因素影響擴(kuò)散的因素 六、表面和界面對(duì)擴(kuò)散的影響六、表面和界面對(duì)擴(kuò)散的影響-短路擴(kuò)散短路擴(kuò)散21優(yōu)質(zhì)課一、鋼的滲碳一、鋼的滲碳 滲碳通常是指向低碳鋼制造的工件表滲碳通常是指向低碳鋼制造的工件表面滲入碳原子，使工件表面達(dá)到高碳鋼的面滲入碳原子，使工件表面達(dá)到高碳鋼的含碳量。其目的是使工件在熱處理后表面含碳量。其目的是使工件在熱處理后表面具有高硬度和高的耐磨性，而心部仍保持具有高硬度和高的耐磨性，而心部仍保持低碳鋼良好的塑、韌性。低碳鋼良好的塑、韌性。第四節(jié)第四節(jié) 擴(kuò)散的應(yīng)用擴(kuò)散的
13、應(yīng)用 22優(yōu)質(zhì)課鋼的滲碳2 依所用滲碳劑的不同，鋼的滲碳可分為氣體滲依所用滲碳劑的不同，鋼的滲碳可分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。最常用的是氣體滲碳，碳、固體滲碳和液體滲碳。最常用的是氣體滲碳，其工藝方法是將工件放入密封的加熱爐中，加熱其工藝方法是將工件放入密封的加熱爐中，加熱到臨界溫度以上（通常為到臨界溫度以上（通常為900950）按一定流）按一定流量滴入液體滲碳劑（如煤油、甲醇和丙酮），并量滴入液體滲碳劑（如煤油、甲醇和丙酮），并使之分解使之分解,分解產(chǎn)物有分解產(chǎn)物有CnH2n和和CnH2n+2,在鋼在鋼的表面發(fā)生如下的反應(yīng)的表面發(fā)生如下的反應(yīng)CnH2n nH2+nCCnH2n+2 (n
14、+1)H2+nC 從而提供活性碳原子，吸附在工件表面并向鋼從而提供活性碳原子，吸附在工件表面并向鋼的內(nèi)部擴(kuò)散而進(jìn)行滲碳。的內(nèi)部擴(kuò)散而進(jìn)行滲碳。23優(yōu)質(zhì)課鋼的滲碳324優(yōu)質(zhì)課1.已知初始條件，已知初始條件，求求滲碳時(shí)間滲碳時(shí)間t；2.求一定滲碳層深度下的濃度；求一定滲碳層深度下的濃度；3.求滲碳層深度求滲碳層深度)2/()/(0DtxerfCCCCsxs鋼的滲碳鋼的滲碳425優(yōu)質(zhì)課第四節(jié)第四節(jié) 擴(kuò)散的應(yīng)用擴(kuò)散的應(yīng)用 此現(xiàn)象常發(fā)生此現(xiàn)象常發(fā)生在磷元素之?dāng)U散，在磷元素之?dāng)U散，當(dāng)晶片表面之摻雜當(dāng)晶片表面之摻雜濃度高至接近溶解濃度高至接近溶解度時(shí)，元素?cái)U(kuò)散分度時(shí)，元素?cái)U(kuò)散分佈曲線會(huì)顯示異常佈曲線會(huì)顯示異常的行為。一系列的的行為。一系列的模 擬 圖 顯 示，在模 擬 圖 顯 示，在1000oC時(shí)進(jìn)行擴(kuò)散時(shí)進(jìn)行擴(kuò)散一個(gè)小時(shí)後，不同一個(gè)小時(shí)後，不同表面濃度的磷元素表面濃度的磷元素?cái)U(kuò)散後的分佈曲線擴(kuò)散後的分佈曲線圖。磷元素?cái)U(kuò)散，圖。磷元素?cái)U(kuò)散，其擴(kuò)散係數(shù)大約增其擴(kuò)散係數(shù)大約增加了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。加了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。二、半導(dǎo)體擴(kuò)散參雜二、半導(dǎo)體擴(kuò)散參雜26優(yōu)質(zhì)課
第六章 擴(kuò)散【沐風(fēng)教育】
