材料科学 材料中的扩散
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材料科学中的热扩散和热传导热扩散和热传导是材料科学领域中非常重要的现象。
它们能够影响材料的性能和使用寿命,因此在材料设计和研究中都有着至关重要的作用。
本文将深入探讨热扩散和热传导的基本概念、方法和应用。
一、热扩散热扩散是指由于温度差异而导致的热量自然扩散的过程。
这种过程在材料的表面和内部都会出现。
热扩散的速度取决于热扩散系数,它是材料的一个物理属性。
一个高热扩散系数表示热量能够很容易地在材料中扩散,而一个低系数意味着热传递速率比较低.热扩散所涉及的物理过程通常是经典热力学中的熵最大化原理。
根据这个原理,热量会从高温度区域向低温度区域自然流动,直到整个系统达到热力学平衡。
在材料工程中,热扩散是一个非常重要的问题。
例如,如果在制造过程中材料中存在温度梯度,那么热扩散会导致材料的不均匀变形和内部结构的变化。
因此,在材料的热处理、加工和制造过程中热扩散的考虑必不可少。
二、热传导热传导是指由于物质分子运动而产生的热量传递现象。
热传导的物理过程涉及到热噪声、库仑相互作用和声子运动等因素。
不同于热扩散中温度差异导致的传递,热传导中温度的变化相对较小,传递的热量也相应较小,但热传导方式更加稳定.在材料的热工学中,热传导是一个非常基础和重要的物理现象,可以作为研究各种材料性能和特性的基础。
例如,在材料的导热性能中,热传导的影响很大,因为它能够影响材料的热导率、热扩散系数等重要物理属性。
不同材料的热传导性质差异也很大,这是由于不同材料的分子结构和化学组成的不同导致的。
表现为材料的热导率,不同的材料的热导率不同,对于不同的材料,热传导率的尺寸效应可能更加明显因此热传导的研究也十分重要。
三、应用热扩散和热传导的研究和应用广泛,与许多领域都有关。
例如,在能源领域中,热扩散和热传导是研究精益化燃烧和热发电的重要分析工具。
在空气动力学和航空航天领域中,热扩散和热传导是研究飞行器表面温度分布和制作高温陶瓷材料的关键技术。
在材料科学领域中,热扩散和热传导是研究热稳定性和导热性能的主要工具。
第7章扩散一、名词解释1.扩散:2.扩散系数与扩散通量:3.本征扩散与非本征扩散:4.自扩散与互扩散:5.稳定扩散与不稳定扩散:名词解释答案:一、扩散是指在梯度的作用下,由于热运动而使粒子定向移动的过程二、扩散通量:单位时间内通过单位面积粒子的数目扩散系数:单位浓度梯度下的扩散同俩个三、本征扩散:由热缺陷所引起的扩散非本征扩散:由于杂质粒子的电引入而引起的扩散四、自扩散:原子或粒子在本身结构中的扩散互扩散:两种的扩散通量大小相等,方向相反的扩散五、稳定扩散:单位时间内通过单位面积的粒子数一定不稳定扩散:单位面积内通过单位面积的粒子数不一定二、填空与选择1.晶体中质点的扩散迁移方式有:、、、和。
2.当扩散系数的热力学因子为时,称为逆扩散。
此类扩散的特征为,其扩散结果为使或。
3.扩散推动力是。
晶体中原子或离子的迁移机制主要分为两种:和。
4.恒定源条件下,820℃时钢经1小时的渗碳,可得到一定厚度的表面碳层,同样条件下,要得到两倍厚度的渗碳层需小时.5.本征扩散是由而引起的质点迁移,本征扩散的活化能由和两部分组成,扩散系数与温度的关系式为。
6.菲克第一定律适用于,其数学表达式为;菲克第二定律适用于,其数学表达式为。
7.在离子型材料中,影响扩散的缺陷来自两个方面:(1)肖特基缺陷和弗仑克尔缺陷(热缺陷),(2)掺杂点缺陷。
由热缺陷所引起的扩散称,而掺杂点缺陷引起的扩散称为。
(自扩散、互扩散、无序扩散、非本征扩散)8.在通过玻璃转变区域时,急冷的玻璃中网络变体的扩散系数,一般相同组成但充分退火的玻璃中的扩散系数。
(高于、低于、等于)9.在UO 2晶体中,O 2-的扩散是按 机制进行的。
(空位、间隙、掺杂点缺陷)填空题答案:1、易位扩散、环形扩散、空位扩散、间隙扩散、准间隙扩散2、1+(δln γi )/(δlnNi )<0、由低浓度向高浓度扩散、偏聚、分相3、化学位梯度、空位机制、间隙机制4、45、热缺陷、空位形成能、空位迁移能、)(RT Q D D -=e0 6、稳定扩散 、 x C D J ∂∂-= 、不稳定扩散、22x C D tC ∂∂=∂∂ 7、本征扩散、非本征扩散8、高于9、间隙四、试分析离子晶体中,阴离子扩散系数-般都小于阳离子扩散系数的原因。
一、实验目的1. 了解材料扩散的基本原理和影响因素。
2. 掌握材料扩散实验的操作方法。
3. 通过实验观察材料扩散现象,分析影响扩散速率的因素。
二、实验原理扩散是指物质从高浓度区域向低浓度区域自发地迁移的过程。
材料扩散实验中,常用不同材料之间的扩散来研究扩散现象。
本实验采用不同浓度的NaCl溶液作为扩散介质,观察不同材料在其中的扩散过程。
扩散速率受以下因素影响:1. 温度:温度越高,分子运动越剧烈,扩散速率越快。
2. 扩散物质的浓度梯度:浓度梯度越大,扩散速率越快。
3. 扩散物质的性质:扩散物质的分子大小、形状、极性等性质会影响扩散速率。
4. 扩散介质的性质:扩散介质的粘度、密度等性质会影响扩散速率。
三、实验材料与仪器1. 实验材料:铜片、铝片、银片、NaCl溶液(不同浓度)、滤纸、滴管、剪刀、尺子等。
2. 实验仪器:恒温箱、电子天平、显微镜等。
四、实验步骤1. 准备不同浓度的NaCl溶液,将其倒入培养皿中。
2. 将铜片、铝片、银片分别剪成相同大小的圆形,并用滴管在圆片中心滴加少量NaCl溶液。
3. 将圆片放入恒温箱中,设定温度为60℃,保持恒温。
4. 定时取出圆片,用显微镜观察圆片表面的NaCl溶液扩散情况,并记录数据。
5. 重复实验,分别观察不同温度、不同浓度NaCl溶液对扩散速率的影响。
五、实验结果与分析1. 观察到,随着时间推移,圆片表面的NaCl溶液逐渐扩散到整个圆片。
2. 在相同条件下,温度越高,NaCl溶液扩散速率越快。
3. 在相同条件下,NaCl溶液浓度越高,扩散速率越快。
4. 在相同条件下,铜片、铝片、银片表面的NaCl溶液扩散速率依次递减。
六、实验结论1. 材料扩散实验表明,温度、浓度、扩散物质性质、扩散介质性质等因素都会影响扩散速率。
2. 在本实验条件下,NaCl溶液的扩散速率随着温度和浓度的升高而加快。
3. 铜片、铝片、银片表面的NaCl溶液扩散速率依次递减,说明不同材料的扩散性质存在差异。
材料科学基础第 7 章7.2.1 扩散系数与扩散推动力一扩散系数的物理意义二扩散过程的推动力S4S2S1 S3S n-1S n R nA(始点)扩散粒子在t时间内经n次无序跃迁后的净位移示意图 假设:①原子无序地向任意方向跃迁,②每次跃迁和前一次跃迁无关,则扩散原子经n次跃迁后净位移Rn就相当于左图中各跃迁S1、S2、S3…的矢量和。
有缘学习更多驾卫星ygd3076或关注桃报:奉献教育(店铺)若各个跃迁矢量相等而方向是无序的,即:则上式中第二项为零,因此:参考平面平均浓度CI IINN平均浓度R n R n 设沿x方向存在浓度梯度①在参考平面两侧各取宽度为R截面积为1m2的两个区域:n,②设Ⅰ区单位容积中平均粒子数为C,则总粒子数目为RCn③如果粒子同时沿三个坐标轴方向均匀扩散,则沿x、y、z各个方向分别为在时间t内,从Ⅰ区通过参考平面跃迁的粒子数:参考平面平均浓度平均浓度自Ⅱ区反向通过参考平面跃迁的粒子数:CI IINNR n R n故单位时间、单位截面积上的净扩散粒子数为:为:与菲克第一定律比较,得到扩散系数Dr式中,——单位时间内原子跃迁次数它与扩散机制、原子跃迁到邻近空位的跃迁频率,以及和原子相邻的可供跃迁的结点数有关。
扩散系数的物理意义上述推导过程中假设系统不存在定向推动力,即粒子不是沿一定取向跃迁而是无序的游动扩散过程,每一次跃迁都和先前一次无关,这种扩散称为无序游动扩散系数,晶体中的空位扩散符合这种条件 。
系数Dr在同一系统中对某个原子扩散来说,须考虑一个相关因子f,即有此扩散系数D称为自扩散系数,对于面心立方结构f=0.78扩散过程的推动力扩散体系的化学位梯度以化学位梯度的概念可建立扩散系数的热力学一般关系:扩散系数的热力学因子对于理想混合体系,活度系数γi =1,此时D i =D i ﹡=RTB i ,通常称D i ﹡为自扩散系数,D i 为本征扩散系数。
对于非理想混合体系,存在以下两种情况:1.当 ,此时D i >0,称为正常扩散,即物质流将从高浓度处流向低浓度处,扩散的结果使溶质趋于均匀化。
北京科技大学材料科学与工程专业814 材料科学基础主讲人:薛老师第四章扩散本章主要内容1.菲克第一定律2.菲克第二定律3.菲克定律的应用4.原子扩散中的热力学5.扩散的微观机制6.影响扩散系数的因素7.反应扩散本章主要要求1.掌握菲克定律的内容2.熟练运用菲克定律3.掌握扩散系数的影响因素4.了解扩散的微观机制5.掌握反应扩散知识点1 扩散定义:由构成物质的微粒(原子、分子、离子)的热运动而产生的物质迁移的现象称为扩散。
扩散的宏观表现形式是物质的定向输送。
研究扩散主要有两种方法:(1)表象理论:根据所测量的参数描述物质传输的速率和数量;(2)原子理论:扩散过程中原子是如何迁移的。
扩散是固体中物质传输的唯一方式,液体或气体还有对流的方式可以通过参入放射性同位素可以证明。
知识点2 菲克第一定律当固体中存在着成分差异时,原子将从高浓度处向低浓度处扩散。
为了描述原子迁移的速率,提出了菲克第一定律。
数学表达式:1. J 为扩散通量,表示单位时间内通过垂直于扩散方向x 的单位面积的扩散物质的质量,单位为kg/(m 2*s)2. 表示溶质原子的浓度梯度3. D 为扩散系数,其单位为m 2/s ,ρ是扩散物质的质量浓度,单位为kg/m 34. 负号表示物质的扩散方向与质量浓度梯度方向相反,即表示物质从高浓度区向低浓度区方向迁移。
菲克第一定律表示了一种质量浓度不随时间变化而变化的现象。
dxdc d D J )(ρ-=dx d ρ扩散第一定律的注意点(1)扩散第一定律与经典力学相同,是被实验所证明的公理;(2)浓度梯度一定,扩散取决于扩散系数。
扩散系数与很多因素有关,但是与浓度梯度无关;(3)当浓度梯度为0时,J=0,说明在浓度均匀的系统中,不会产生扩散现象,这一结论仅仅适用于下坡扩散;(4)扩散第一定律的不足之处就是仅仅提出了扩散与距离的关系,并没有提出扩散与时间的关系;知识点3 菲克第二定律扩散第一定律只适用于稳态扩散,即在扩散的过程中各处的浓度不因为扩散过程的发生而随时间的变化而改变。
第八章:材料中的扩散
§1 扩散定律及其应用
一、扩散定律 (一)菲克第一定律
在单位时间内通过垂直扩散方向的单位截面积的扩散物质量(扩散通量)与该截面处的浓度梯度成正比。
x
c D
J ∂∂-= (D-扩散系数;负号表示扩散方向与浓度梯度x c ∂∂/方向相反)
菲克定律可直接用于处理稳态(浓度不随时间变化)问题。
现以单向扩散为例进行讨论:
如右图所示,设有一金属棒,沿x 轴方向存在着浓度梯度,并设:
(1)有两个垂直于X 轴方向的单位面积的原子平面l 和2,其面间距离为dx 。
(2)当温度和浓度恒定时,每一扩散原子的平均跃迁领率为f 。
(3)C 1和C 2分别代表平面l 和平面2的扩散原子体积浓度.
由上假设可知:通过平面1到平面2上的扩散原子和平面2到平面1上的扩散原子的相应数目分别为n 1=C 1dx 和n 2=C2dx 。
在此时间内,若原子平均跳跃频率为f ,则跳高平面l 的原子数为n 1fdt ,跳离平面2的原子数为n 2fdt 。
由于只考虑x 方向存在浓度梯度,所以扩散原子沿x 轴正负方向各有一半迁移几率。
那么,在单位时间和单位面积内,从平面1跳到平面2的原子数应为n 1f / 2,同理,从平面2跳到平面l 的历子数则为n 2f / 2,两者的差值即扩散原子的净流量J ,也称扩散通量。
dx dC
dx f dx C C dx C C f n n f J 2122121)(21)(21)(21)(21-=--=-=-=
令2)(21dx f D =
并代入上式,有:)(dx
dC
D J -=。
同时可写出y 、z 方向的菲克第一定律表达式。
(二)菲克第二定律
菲克第二定律讨论的是非稳态扩散问题,即dC /dt ≠0。
如右图所示,影线部分表示由相距为dx 的两个垂直于X 轴的平面所取出的一微小体积,箭头表示扩散的方向。
J 1和J 2分别为扩散时进入和流出两平面间的扩散通量。
在扩散过程中若两面之间的溶质浓度随时间变化率为t C ∂∂/,则在单元体积中溶质的积累速率为:
21/J J dx t C -=⋅∂∂, 因为:x
x C
D J )(
1∂∂-=
dx D D dx D J D J x
C x x
x C x
C x dx
x x C )()(
)()(
12∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+∂∂-+
-=-+=-=,所以:
dx D x
D D dx x C
x
x C x
x C
x
C )()(
)(
∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+
+-=⋅,即:2
2)(x C x
C
D x C x x
C
D
D ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂=−−−−−−→−=
不随浓度变化令。
二、科肯道尔效应
(科肯道尔效应实验:Cu-Ni 的互扩散。
) 达肯对科肯道尔效应的分析:
1.三个假设:①组元间的扩散互不干涉;
②扩散过程中空位浓度保持不变; ③扩散驱动力为浓度梯度。
2.分析:
令:V B =点阵的整体移动速度=标记移动速度=V m ;
V D =单独右扩散引起的移动速度=原子相对标记的移动速度。
则:合成速度(相对于观察者)V 合为:V 合= V B + V D = V m + V D 。
设:Cu 原子的扩散通量为单位面积中Cu 原子的输送速率,并以原子数/秒.厘米2表示,其体积浓度
为C 1、迁移速度为V ,则扩散通量为C 1V 。
因此在Cu 、Ni 两种原子的互扩散过程中,Cu 原子的总扩散通量为C 1[V m +(V D )1],其中C 1(V D )1为Cu 原子的真实扩散通量,
并=dx
dC D 11
-,而C 1V m 则相当于标记面移动所引起的Cu 原子的扩散效应。
Ni 原子也采取
类似的处理。
因此,两种原子在给定温度下的总扩散通量分别为:
⎪⎭
⎪⎬⎫-=-=dx
dC D
m V C t J dx dC D m V C t J 11)1(11)1(
假设扩散过程中克原子密度(原子/厘米2)保持不变,则需有:
dx
dC D dx dC D m t t C C V J J 2
211
2121)()()(+=+=,即:
体积浓度C =克原子密度×原子分数N ,而克原子密度为常数。
因此有:
dx
dN dx
dN dx
dN dx
N d dx
dN m D D D D D D V 12112
11
)11(2
1
1
)
(-=-=+=-(N 1、N 2分别为Cu 、Ni 原子的原
子分数,且N 1+N 2= 1),因此有:
⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧=→→=≠⎪⎪⎭
⎪⎬⎫-=+-=-=+-=+=2~
)0211(~~~)()(~)
()(1221~11122111112211D D D D i D D D N D N D J D N D N D J N D N D D dx dC dx dC t dx dC dx dC t :,稀固溶体自扩散:,但一般情况下。
,为互扩散系数式中:ϕϕ
科肯道尔效应有力地证明了置换式固溶体中空位机制是扩散的主要机制。
(因为仅
当Ni 原子与其近邻空位换位的几率>Cu 原子与空位的换位几率时,才有V Ni →Cu >V Cu →Ni 。
)。
三、扩散定律的应用
(一)两端成分不受扩散影响的扩散偶(恒定源)
设有足够长的A 、B 棒,其质量浓度分别为ρ2、ρ1。
初始条件:⎩⎨
⎧=<=>=2
1
000ρρρρ,则,则x x t , 边界条件:⎩⎨
⎧=-∞==∞=≥2
10ρρρρ,则,则x x t 。
通常采用中间变量代换,使偏微分方程变为常微分方程。
设中间变量Dt
x 2=
β。
得出质量浓度随距离x
和时间t 变化的解析式为:
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-+
+=
Dt x
erf t x 22
2
),(2
12
1ρρρρρ ⎪⎪
⎪
⎩
⎪
⎪⎪⎨⎧⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-====+。
而界面上的浓度为,
,则:若右侧棒原始浓度为零;:,界面处21),()0)0(0(2222221ρρρρρ
ρDt x
s erf t x erf x (二)一端成分不受扩散影响的扩散体
例如钢的渗碳。
此时,渗碳零件可视为半无限长的扩散体,其原始碳质量浓度为
ρ0。
则:
初始条件:t =0,x ≥0,ρρ0;边界条件:t >0,⎩
⎨⎧=∞===。
,,
,0
0ρρρρx x s 。
有:⎪⎭
⎫
⎝⎛--=Dt x
s s erf t x 2
0)(),(ρρρρ,(若为纯铁,则ρ0=0)
(三)衰减薄膜源(限定源扩散)
§2 扩散的微观机理
一、扩散机制:
主要有:间隙机制(扩散激活能低)、空位机制(扩散激活能高)。
其它有:换位机制(直接和循环换位:不产生科肯道尔效应)、填隙机制。
二、原子热运动与晶体中的扩散
三、晶态化合物中的扩散
四、非晶态固体中的扩散
五、界面扩散
§3 扩散的热力学解释
一、扩散驱动力
存在化学势梯度。
二、扩散系数
三、上坡扩散
§4 反应扩散
§5 一些影响扩散的重要因素
一、温度
⎪⎭
⎫
⎝⎛-=RT Q D D exp 0
二、晶体的类型与结构
对于相同物质,密堆结构的晶体的扩散速率较慢。
三、晶体缺陷
快速扩散通道: 表面扩散速度最快。
间隙原子对间隙扩散起阻碍作用。
四、化学成分
与加入组元的性质有关。