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1、第五節(jié) 影響擴散系數(shù)的因素,擴散是一個基本的動力學(xué)過程，對材料制備、加工中的性能變化及顯微結(jié)構(gòu)形成以及材料使用過程中性能衰減起著決定性的作用，對相應(yīng)過程的控制，往往從影響擴散速度的因素入手來控制，因此，掌握影響擴散的因素對深入理解擴散理論以及應(yīng)用擴散理論解決實際問題具有重要意義。,擴散系數(shù)是決定擴散速度的重要參量。討論影響擴散系數(shù)因素的基礎(chǔ)?；谙率?從數(shù)學(xué)關(guān)系上看，擴散系數(shù)主要決定于溫度，顯于函數(shù)關(guān)系中，其他一些因素則隱含于D0和Q中。這些因素可分為外在因素和內(nèi)在因素兩大類。,一、擴散介質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響 通常，擴散介質(zhì)結(jié)構(gòu)越緊密，擴散越困難，反之亦然。 例如在一定溫度下，鋅在具有體心立方點陣結(jié)
2、構(gòu)(單位晶胞中含2個原子)的-黃銅中的擴散系數(shù)大于具有在面心立方點陣結(jié)構(gòu)(單位晶胞中含4個原子)時-黃銅中的擴散系數(shù)。對于形成固溶體系統(tǒng)，則固溶體結(jié)構(gòu)類型對擴散有著顯著影響。例如，間隙型固溶體比置換型容易擴散。,二、擴散相與擴散介質(zhì)的性質(zhì)差異 一般說來，擴散相與擴散介質(zhì)性質(zhì)差異越大,擴散系數(shù)也越大。 這是因為當擴散介質(zhì)原子附近的應(yīng)力場發(fā)生畸變時，就較易形成空位和降低擴散活化能而有利于擴散。故擴散原子與介質(zhì)原子間性質(zhì)差異越大，引起應(yīng)力場的畸變也愈烈，擴散系數(shù)也就愈大。,表 1 若干金屬在鉛中的擴散系數(shù),三、結(jié)構(gòu)缺陷的影響 實驗表明，在金屬材料和離子晶體中，原子或離子在晶界上擴散遠比在晶粒內(nèi)部擴散
3、來得快。有實驗表明，，其些氧化物晶體材料的晶界對離子的擴散有選擇性的增加作用，例如在Fe2O3，、CoO、SrTiO3，材料中晶界或位錯有增加O2-離子的擴散作用，而在BeO、UO2、Cu2O和(Zr，Ca)O2等材料中則無此效應(yīng)。,圖13 Ag的自擴散系數(shù)Db，晶界擴散系數(shù)Dg和表面擴散系數(shù)Ds,0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 3.0,Ds,Dg,Dg,四、溫度與雜質(zhì)的影響 圖14給出了一些常見氧化物中參與構(gòu)成氧化物的陽離子或陰離子的擴散系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。 應(yīng)該指出，對于大多數(shù)實用晶體材料，由于其或多或少地含有一定量的雜質(zhì)以及具有一定的熱歷史，因而溫度對其擴散系數(shù)
4、的影響往往不完全象圖所示的那樣，1nD1T間均成直線關(guān)系，而可能出現(xiàn)曲線或者不同溫度區(qū)間出現(xiàn)不同斜率的直線段。這一差別主要是由于活化能隨溫度變化所引起的。,圖14 擴散系數(shù)與溫度的關(guān)系,圖15 硅酸鹽中陽離子的擴散系數(shù),Na,Ca,Si,0.5 1.0 1.5,10-5,10-6,10-7,10-8,10-9,10-10,D(cm2/s-1),1000/T(k-1),利用雜質(zhì)對擴散的影響是人們改善擴散的主要途徑。一般而言，高價陽離子的引入可造成晶格中出現(xiàn)陽離子空位和造成晶格畸變，從而使陽離子擴散系數(shù)增大。且當雜質(zhì)含量增加，非本征擴散與本征擴散溫度轉(zhuǎn)折點升高. 反之，若雜質(zhì)原子與結(jié)構(gòu)中部分空位發(fā)生締合，往往會使結(jié)構(gòu)中總空位增加而有利于擴散。,擴散是物質(zhì)內(nèi)質(zhì)點運動的基本方式，當溫度高于絕對零度時，任何物系內(nèi)的質(zhì)點都在作熱運動。當物質(zhì)內(nèi)有梯度(化學(xué)位、濃度、應(yīng)力梯度等)存在時，由于熱運動而觸發(fā)(導(dǎo)致)的質(zhì)點定向遷移即所謂的擴散。因此，擴散是一種傳質(zhì)過程，宏觀上表現(xiàn)出物質(zhì)的定向遷移。在氣體和液體中，物質(zhì)的傳遞方式除擴散外還可以通過對流等方式進行；在固體中，擴散往往是物質(zhì)傳遞的惟一方式。擴散的本質(zhì)是質(zhì)點的無規(guī)則運動。晶體中缺陷的產(chǎn)生與復(fù)合就是一種宏觀上無質(zhì)點定向遷移的無序擴散。,本章小結(jié)：,
【現(xiàn)代實驗力學(xué)課件】7.4影響擴散系數(shù)的因素
