第六章 扩散【沐风教育】.ppt

第六章第六章扩扩 散散1优质课•固体中迁移固体中迁移 固体中原子在热运动下的位置转移固体中原子在热运动下的位置转移•扩散扩散„ 原子热运动造成物质的宏观流动；原子热运动造成物质的宏观流动；„ 是物质的输运过程；是物质的输运过程；„ 与热传导相似与热传导相似„ 与电的传导相似与电的传导相似 第一节 固体中原子的迁移 2优质课第一节 固体中原子的迁移 ΔE*-----激活能激活能 固固体体中中参参与与反反应应的的原原子子超超过过原原子子平平均均能能量量的附加能量，的附加能量，J/molJ/molE ---- 原子平均能量原子平均能量E*---- 在在特特定定温温度度下下的的能能量量Er ---- 反反应物的能量物的能量Ep ---- 产物的能量物的能量一、热激活固态反应的激活能一、热激活固态反应的激活能3优质课二、二、Arrhenius速率定律速率定律lnV = C - ΔE*/RTV ----- 固固态反反应速率速率C ----- 常数常数ΔE* ----- 激活能激活能R ----- 摩摩尔气体常数（气体常数（8.314J/molk））T ----- 反反应温度温度•研究温度研究温度对反反应速率的影响速率的影响•大多数的固大多数的固态反反应都服从都服从Arrhenius速率定律速率定律•lnV和和1/T 为线性关系，可以从斜率性关系，可以从斜率-ΔE*/R中中计算出激活能算出激活能ΔE*第一节第一节 固体中原子的迁移固体中原子的迁移 4优质课一、扩散机制一、扩散机制1.空位机制空位机制 通过原子与空位交换位置实现原子的迁移通过原子与空位交换位置实现原子的迁移。

•空位扩散机制的条件：空位扩散机制的条件： 扩散原子的近邻有空位，同时空位周围的原子必须有超扩散原子的近邻有空位，同时空位周围的原子必须有超过能垒的自由能过能垒的自由能•金属的自扩散属于空位机制扩散；金属的自扩散属于空位机制扩散；•置换固溶体中的扩散（置换固溶体中的扩散（Cu/Ni扩散偶）属于空位机制扩扩散偶）属于空位机制扩散；散；•金属的熔点高其激活能也越高；金属的熔点高其激活能也越高；•原子移动方向和空位移动方向相反原子移动方向和空位移动方向相反第二节第二节 固体中原子的扩散固体中原子的扩散 5优质课空位机制扩散空位机制扩散6优质课Cu/Ni扩散偶（1）7优质课Cu/Ni扩散偶（2）8优质课一、扩散机制一、扩散机制2. 间隙机制间隙机制 间隙原子在间隙固溶体中从一个间隙位置跳到另一个间隙原子在间隙固溶体中从一个间隙位置跳到另一个间隙位置的原子的迁移过程间隙位置的原子的迁移过程•空位扩散机制的条件：空位扩散机制的条件： 溶原子必须具有挤开溶剂原子进入相邻的间隙位置周围溶原子必须具有挤开溶剂原子进入相邻的间隙位置周围的激活能的激活能。

•钢的渗碳（钢的渗碳（ ΔE*cα=140kj/mol, ΔE*c γ =270kj/mol ））•钢的氮化钢的氮化•间隙机构引起晶格变形大，只有间隙原子与晶格位置上间隙机构引起晶格变形大，只有间隙原子与晶格位置上的原子尺寸相比较是很小时，才会发生的原子尺寸相比较是很小时，才会发生 第二节第二节 固体中原子的扩散固体中原子的扩散 9优质课间隙机制扩散10优质课一、扩散机制一、扩散机制3. 其它扩散机制其它扩散机制• 晶界扩散晶界扩散• 位错扩散位错扩散第二节第二节 固体中原子的扩散固体中原子的扩散 11优质课第二节第二节 固体中原子的扩散固体中原子的扩散 二、扩散方程二、扩散方程1. 稳态扩散稳态扩散-----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) )的两平行原子面的两平行原子面之间的扩散，经过时间之间的扩散，经过时间t t后，在后，在X X2 2和和X X1 1处的溶质处的溶质原子浓度分别为原子浓度分别为C1C1和和C2,C2,并不随时间变化并不随时间变化12优质课第二节第二节 固体中原子的扩散固体中原子的扩散 二、扩散方程二、扩散方程1. 稳态扩散稳态扩散-----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））））, 量量纲为纲为ML-3•D：擴散係數（：擴散係數（coefficient）），量纲为，量纲为L2T-1•表示通过某一界面的扩散流量与垂直这个界面方向浓度表示通过某一界面的扩散流量与垂直这个界面方向浓度梯度成正比，其方向与浓度降落方向一致。

梯度成正比，其方向与浓度降落方向一致•负号表示原子的扩散方向与浓度梯度方向相反（浓度由负号表示原子的扩散方向与浓度梯度方向相反（浓度由低到高为正，扩散方向由高到低为负）低到高为正，扩散方向由高到低为负）13优质课第二节第二节 固体中原子的扩散固体中原子的扩散 二、扩散方程二、扩散方程2. 非稳态扩散非稳态扩散-----Fick第二定律第二定律•扩散浓度在扩散过程中随时间变化扩散浓度在扩散过程中随时间变化(dc/dt≠0)•对于扩散系数与时间无关的非稳态扩散，可用对于扩散系数与时间无关的非稳态扩散，可用Fick第二定律：第二定律：• 如如D為常數為常數14优质课常例：單向無限（semi-infinite），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（error function）：15优质课一、温度对扩散的影响一、温度对扩散的影响扩散系数越大扩散系数越大D = D0exp(- ΔE*/(RT))•ΔE*：：激激活活能能（（activation energy）） in J/mol, cal/mol or eV/atom，，移動原子所需能量移動原子所需能量。

•Fe inα-Fe：：3.0 x 10-21 m2/s at 500℃℃ ，， 1.8 x 10-15 m2/s at 900 ℃℃ •温温度度越越高高，，原原子子的的能能量量越越大大，，越越容容易易发发生生迁迁移移，，扩散系数越大扩散系数越大第三节第三节 影响扩散的因素影响扩散的因素 16优质课二、固溶体类型对扩散的影响二、固溶体类型对扩散的影响•间隙固溶体的扩散激活能一般都很小间隙固溶体的扩散激活能一般都很小•在获得同样浓度时，渗碳、渗氮比渗金属在获得同样浓度时，渗碳、渗氮比渗金属的周期短的周期短第三节第三节 影响扩散的因素影响扩散的因素 17优质课三、晶体结构对扩散的影响三、晶体结构对扩散的影响l扩散系数随同素异构转变变化较大扩散系数随同素异构转变变化较大„ α-Fe的自的自扩散系数是散系数是γ-Fe的的240倍倍„ 在在527 ℃℃，氮在，氮在α-Fe的自的自扩散系数比散系数比γ-Fe大大1500倍倍l结构不同的固溶体构不同的固溶体对扩散元素的溶解度是不同的，由此散元素的溶解度是不同的，由此造成的造成的浓度梯度不同，也会影响度梯度不同，也会影响扩散速度散速度问题问题------------ C C在在αα-Fe-Fe中的溶解度为中的溶解度为0.02%0.02%，而在，而在γγ-Fe-Fe的最的最大溶解度为大溶解度为2.21%2.21%，相差，相差100100倍；而且倍；而且C C在在αα-Fe-Fe中的扩散中的扩散系数比系数比γγ-Fe-Fe大很多，为什么在工业上还要选择在大很多，为什么在工业上还要选择在γγ-Fe-Fe的固溶体中渗碳？的固溶体中渗碳？Ø渗碳层深度渗碳层深度Ø渗碳的温度影响渗碳的温度影响第三节第三节 影响扩散的因素影响扩散的因素 18优质课四、浓度对扩散的影响四、浓度对扩散的影响•组元的扩散系数随浓度的变化而变化，但组元的扩散系数随浓度的变化而变化，但当固溶体浓度较低，或扩散浓度变化不大当固溶体浓度较低，或扩散浓度变化不大时，在求解扩散方程过程中，可以认为影时，在求解扩散方程过程中，可以认为影响不大。

响不大第三节第三节 影响扩散的因素影响扩散的因素 19优质课五、合金元素对扩散的影响五、合金元素对扩散的影响l碳化物形成元素阻碍扩散碳化物形成元素阻碍扩散l非稳定碳化物形成元素影响不大非稳定碳化物形成元素影响不大l非碳化物形成元素影响各不相同非碳化物形成元素影响各不相同第三节第三节 影响扩散的因素影响扩散的因素 20优质课第三节第三节 影响扩散的因素影响扩散的因素 六、表面和界面对扩散的影响六、表面和界面对扩散的影响------短路扩散短路扩散21优质课一、钢的渗碳一、钢的渗碳 渗渗碳碳通通常常是是指指向向低低碳碳钢钢制制造造的的工工件件表表面面渗渗入入碳碳原原子子，，使使工工件件表表面面达达到到高高碳碳钢钢的的含含碳碳量量其其目目的的是是使使工工件件在在热热处处理理后后表表面面具具有有高高硬硬度度和和高高的的耐耐磨磨性性，，而而心心部部仍仍保保持持低低碳钢良好的塑、韧性碳钢良好的塑、韧性第四节第四节 扩散的应用扩散的应用 22优质课钢的渗碳2 依依所所用用渗渗碳碳剂剂的的不不同同，，钢钢的的渗渗碳碳可可分分为为气气体体渗渗碳碳、、固固体体渗渗碳碳和和液液体体渗渗碳碳。

最最常常用用的的是是气气体体渗渗碳碳，，其其工工艺艺方方法法是是将将工工件件放放入入密密封封的的加加热热炉炉中中，，加加热热到到临临界界温温度度以以上上（（通通常常为为900~950℃℃））按按一一定定流流量量滴滴入入液液体体渗渗碳碳剂剂（（如如煤煤油油、、甲甲醇醇和和丙丙酮酮）），，并并使使之之分分解解, 分分解解产产物物有有CnH2n和和CnH2n+2, 在在钢钢的表面发生如下的反应的表面发生如下的反应CnH2n nH2 + n[C]CnH2n+2 (n+1)H2 + n[C] 从从而而提提供供活活性性碳碳原原子子，，吸吸附附在在工工件件表表面面并并向向钢钢的内部扩散而进行渗碳的内部扩散而进行渗碳23优质课钢的渗碳324优质课1.已知初始条件，已知初始条件，求渗碳时间渗碳时间t；；2. 求一定渗碳层深度下的浓度；求一定渗碳层深度下的浓度；3. 求渗碳层深度求渗碳层深度钢的渗碳钢的渗碳425优质课第四节第四节 扩散的应用扩散的应用 此此現現象象常常發發生生在在磷磷元元素素之之擴擴散散，，當當晶晶片片表表面面之之摻摻雜雜濃濃度度高高至至接接近近溶溶解解度度時時，，元元素素擴擴散散分分佈佈曲曲線線會會顯顯示示異異常常的的行行為為。

一一系系列列的的模模 擬擬 圖圖 顯顯 示示 ，， 在在1000oC時時進進行行擴擴散散一一個個小小時時後後，，不不同同表表面面濃濃度度的的磷磷元元素素擴擴散散後後的的分分佈佈曲曲線線圖圖磷磷元元素素擴擴散散，，其其擴擴散散係係數數大大約約增增加了兩個數量級加了兩個數量級 二、半导体扩散参杂二、半导体扩散参杂26优质课。