固体中原子及分子的运动.ppt

=αΓr2,式中α和r是与结构相关的几何参数,可以通过查表和实验分析手段获得,但是Γ是一个微观参量无法直接获得,,溶质原子的扩散一般是从一个间隙位置跳跃到其近邻的另一个间隙位置。间隙原子从位置1跳到位置2的能垒G=G2-G1,因此只有那些自由能超过G2的原子才能发生跳跃。对于间隙型扩散,设原子的振动频率为v,溶质原子最邻近的间隙位置数为z(即间隙配位数),则应是v,z,以及具有跳跃条件的原子分数eG/kT的乘积,即扩散系数所以有:式中D0为扩散常数;U是间隙扩散时溶质原子跳跃所需额外的热力学内能,等于间隙原子的扩散激活能Q。上述式的扩散系数遵循阿累尼乌斯(Arrhenius)方程:式中,R为气体常数,/(molK);Q代表每摩尔原子的激活能,T为绝对温度。,所需的扩散激活能Q值是不同的。在间隙扩散机制中,Q=ΔU;在空位扩散机制中,Q=ΔU+ΔUV。除此外,还有晶界扩散、表面扩散、位错扩散,它们的扩散激活能是各不相同的,因此,求出某种条件的扩散激活能,对于了解扩散的机制是非常重要的。根据扩散系数的一般表达式,有由实验值可确定lnD与1/T的关系。显然,当原子在高温和低温中以两种不同扩散机制进行时,由于扩散激活能不同,将在lnD-1/T图中出现两段不同斜率的折线。。温度越高,原子热激活能量越大,越易发生迁移,扩散系数越大。同时由于原子的跃迁次数与温度有很大关系,因此原子平均位移对温度非常敏感。,原子的扩散机制是不同的。间隙固溶体的扩散激活能一般均较小,例如,C,N等溶质原子在铁中的间隙扩散激活能比Cr,Al等溶质原子在铁中的置换扩散激活能要小得多,因此,钢件表面热处理在获得同样渗层浓度时,渗C,N比渗Cr或Al等金属的周期短。晶体结构晶体结构对扩散有影响,有些金属存在同素异构转变,当它们的晶体结构改变后,扩散系数也随之发生较大的变化。例如铁在912℃时发生-Fe-Fe转变,-Fe的自扩散系数大约是-Fe的240倍。所有元素在-Fe中的扩散系数都比在-Fe中大,其原因是体心立方结构的致密度比面心立方结构的致密度小,原子较易迁移。晶体缺陷在实际使用中的绝大多数材料是多晶材料,对于多晶材料,正如前已述,扩散物质通常可以沿三种途径扩散,即晶内扩散、晶界扩散和表面扩散。若以QL,QS和QB别表示晶内、表面和晶界扩散激活能;DL,DS和DB分别表示晶内、表面和晶界的扩散系数,则一般规律是:QL>QB>QS,所以DS>DB>DL。晶界、表面和位错等对扩散起着快速通道的作用,这是由于晶体缺陷处点阵畸变较大,原子处于较高的能量状态,各种缺陷处的扩散激活能均比晶内扩散激活能小,加快了原子的扩散。成分的影响(1)组元特性原子在点阵中扩散需要克服能垒,即需要部分地破坏邻近原子的结合键才能实现跃迁,因此扩散激活能必然和表征原子间结合力的微观参量及宏观参量有关。从微观参量讲,固溶体中组元的原子尺寸相差愈大,畸变能就愈大,溶质原子离开畸变位置进行扩散愈容易,则Q愈小,而D值愈大;组元间的亲和力愈强,即负电性相差愈大,。不同金属的自扩散激活能与其点阵的原子间结合力有关,因而与表征原子间结合力的宏观参量,如熔点、熔化潜热、体积膨胀或压缩系数相关,熔点高的金属的自扩散激活能必然大。