最新固态相变中的形核课件PPT.ppt

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1、固态相变中的形核2,1引言1．扩散宏观规律。2．扩散微观机制。3．扩散热力学和影响因素。•Howdoesdiffusionoccur?•Howcantherateofdiffusionbepredictedforsomesimplecases?•Whatisthediffusiondriveforce?•Howdoesdiffusiondependonstructureandtemperature?气体中的扩散：RandomwalkdiffusionanimatedGIF.ThisanimatedGIFdemonstratesmoleculardiffusionbytherandommotio

2、nsoftracerparticles.Intheupperframeoftheanimation,125particlesaretrackedastheymoveinright-leftrandomwalkmotion. Inthelowerframe,thebardiagramshowsthehistogramoftheparticledensity,andthesolidlineplotstheanalyticalsolutiontothe1-Ddiffusionequationforapointsource.Thefluxduringdiffusionisdefinedasthenum

3、berofatomspassingthroughaplaneofunitareaperunittime.J扩散第一定律定义：物质在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面的扩散通量与此处的浓度梯度成正比。应用此式可解决材料中的稳态扩散问题。•Result:theslope,dC/dx,mustbeconstant(i.e.,slopedoesn'tvarywithposition)!•ApplyFick'sFirstLaw:•then扩散是由原子热运动引起的，D必然与原子的微观跳动有关。D与描述原子热运动参数的关系：Γ―原子跳动频率（1/sec）a―晶格点阵中原子面间距2.2扩散系数D的微观解释

4、：单位时间内由Ⅰ→Ⅱ和由Ⅱ→Ⅰ的原子数分别为：由Ⅰ→Ⅱ的扩散通量增量为：把原子数n改为体积浓度C，对照Fick第一定律：讨论：1．此式的物理意义就在于它把扩散系数这个宏观参数与原子微观跳动（热运动）参数a、Γ联系起来了。它表明扩散这一物质迁移的宏观过程是通过原子的微观无规跳动来实现的，因为Γ就是单位时间内跳到邻近间隙（或空位）的原子数，而a则可看成是原子的跳动距离。2．原子的无规跳动是由其本身的热振动所引起的，原子的每次跳动都是独立的、随机的，与上次跳动无关。3．在存在浓度梯度的材料中，产生定向扩散，物质由高浓度区向低浓度区迁移，扩散距离为：Rn＝2.4（Dt）1/2这是一个十分重要的规律，当

5、一个过程由扩散所控制时，通常都服从这一规律，实际工作中常用此式来检验一个过程是否由扩散所控制。4.在无浓度梯度的材料中，依然存在扩散，但无定向扩散。5．在固态材料中，扩散速度是很慢的，由于Γ随温度变化很大，因而温度对扩散速度的影响很大，以碳在铁中的扩散为例：925℃时，碳的Γ＝1.7×109/sec,碳在γ-Fe中一秒钟扩散距离约为10μm:室温时，Γ＝2.1×10－9/sec，约合15年跳一次，所以在室温下，看不到碳在铁中的扩散。原子在气体和薄膜中无规跳动模拟2.3扩散的微观机制一、间隙扩散和空位扩散对于金属材料来说，如果是理想晶体，扩散基本上不会发生，必须借助于点缺陷的运动才能实现扩散，目

6、前普遍被接受也是最重要的扩散机制有两种：间隙扩散和空位扩散。多晶体金属中，扩散物质可以沿金属表面、晶界、位错线发生迁移，分别被称为“表面扩散”、“晶界扩散”和“位错扩散”，扩散物质也可以在晶粒点阵内部发生迁移，被称为体扩散。体扩散是固态金属中最基本的扩散途径，人们在这方面做了许多工作，先后提出了原子在点阵中迁移的各种机制，来说明扩散的基本过程。其中三种最基本的扩散机制是交换机制、间隙机制和空位机制。扩散机制：扩散时原子的迁移的方式。间隙扩散机制交换扩散机制空位扩散机制间隙机制空位机制交换机制直接交换环形换位三种最基本的扩散机制:1.间隙扩散间隙原子由一个间隙位置跳到另一个（临近）间隙位置，实现

7、原子的迁移，通常是晶体中八面体间隙。间隙原子扩散时的能量变化间隙原子位于间隙位置时，能量最低，处于最稳定状态，向临近间隙位置跳动时，必须克服一定的阻力，该阻力为ΔG＝G2－G1，称为能垒，数值上等于几个电子伏特。根据固体物理，原子由热振动所具有的平均振动能为kT，k－Bolzman常数，1.38062×10－23J·K－1，1000℃时，kT≈1/10eV。显然仅靠热振动提供的能量不能使间隙原子实