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,
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