晶体缺陷和扩散

1、缺陷的扩散机制柯肯达尔效应金属晶体中原子按一定规律周期排列，在相邻两个原子间都隔着一个能垒Q，由于存在能量起伏，总会有能量高的原子跨越能垒Q，发生跃迁。扩散的本质是原子依靠热运动从一个位置迁移到另一个位置。扩散是固体中原子迁移的唯一方式。-原子在晶体中的迁移过程原子在晶体中的迁移过程.扩散扩散-晶体中原子无规则布朗运动晶体中原子无规则布朗运动热缺陷的迁移（产生、复合热缺陷的迁移（产生、复合) )实现实现借助借助存在点缺陷存在点缺陷晶体中扩散的前提条件？晶体中扩散的前提条件？外来杂质原子在晶体中的扩散外来杂质原子在晶体中的扩散基质原子在晶体中的扩散，即基质原子在晶体中的扩散，即自扩散自扩散 晶体

2、中原子浓度分布不均匀时，会发生高浓度晶体中原子浓度分布不均匀时，会发生高浓度向低浓度的原子扩散，直至稳定。向低浓度的原子扩散，直至稳定。nDj表单位时间通过单位面积的扩散粒子量表单位时间通过单位面积的扩散粒子量扩散流密度扩散流密度j D-扩散系数扩散系数n-扩散粒子的浓度扩散粒子的浓度设扩散过程中，系统各点的浓度不随时间变化设扩散过程中，系统各点的浓度不随时间变化即对稳态扩散：即对稳态扩散：对非稳态扩散：对非稳态扩散：设设D D是与浓度无关的常数，则是与浓度无关的常数，则nDtn2DtxDttxn4/2e),(表经过表经过t t时间后扩散物的分布时间后扩散物的分布常用的解形式为：常用的解形式为

3、：nDj费克第一定律：费克第一定律：扩散连续方程：扩散连续方程：jtnnDtn2DtxDttxn4/2e),(实验测各层扩散浓度实验测各层扩散浓度),(txnD扩散系数扩散系数不同温度测不同温度测RTQDTD/0e)(R R气体常数，气体常数， QQ扩散激活能扩散激活能常数，称频率因子常数，称频率因子0D温度愈高，温度愈高，扩散愈强。扩散愈强。 通过对各种材料测量表明：通过对各种材料测量表明：(2)间隙式的原子一般具有较高的扩散系数；间隙式的原子一般具有较高的扩散系数； (1)扩散系数大小差别主要由扩散系数大小差别主要由大小决定，大小决定， Q越低，扩散系数愈大；越低，扩散系数愈大；RTQDT

4、D/0e)(原子扩散通过相邻原子对调位置来实现。原子扩散通过相邻原子对调位置来实现。直接易位扩散模型应该指出，环形换位机制以及其他扩散机制只有在特定条件下才能发生，一般情况下它们仅仅是下面讲述的间隙扩散和空位扩散的补充。间隙原子在不同间隙位置间跳跃，以实现扩散。间隙原子在不同间隙位置间跳跃，以实现扩散。杂质原子在晶体中的扩散以此机制为主杂质原子在晶体中的扩散以此机制为主。原子扩散的本质原子扩散的本质原子作无规则布朗运动，txD22Dtx22D值反映原子布朗运动的强弱值反映原子布朗运动的强弱无规则布朗运动的扩散系数无规则布朗运动的扩散系数D D： 据统计物理据统计物理, ,得布朗运动的平均平方位

5、移：间隙原子运动势场示意图间隙原子运动势场示意图 间隙原子依赖热涨落获得高于势垒高度间隙原子依赖热涨落获得高于势垒高度的能量，实现跨跃势垒。的能量，实现跨跃势垒。间隙原子运动势场示意图间隙原子运动势场示意图第二、第二、t t时间内，一个原子总的跳跃次数时间内，一个原子总的跳跃次数N N应当为：应当为：tN 2（因一个原子可向左边，（因一个原子可向左边，也可向右边的间隙跳跃）也可向右边的间隙跳跃）间隙原子的振动频率间隙原子的振动频率0TkBe按玻尔兹曼统计，温度为按玻尔兹曼统计，温度为T,T,原子具有能量原子具有能量几率几率第一、间隙原子依靠热张落在间隙之间跳跃几率为：第一、间隙原子依靠热张落在

6、间隙之间跳跃几率为：TkBe 0N2222第三、第三、NN次连续跳跃的方式数目：次连续跳跃的方式数目：)!(!mNmNCmNmNC若设若设m m次跳跃是向右的，而次跳跃是向右的，而N-mN-m次是向左的跳跃，则这种次是向左的跳跃，则这种情况的不同选法共有情况的不同选法共有 种：种：设相邻间隔距离设相邻间隔距离d d，则对属上述跳跃情况，则对属上述跳跃情况, ,沿沿x x方向移动距离方向移动距离dNmdmNmdx)()(2平均平方距离为平均平方距离为：mmNNdNmCx222221)(计算平均平方距离计算平均平方距离2x22Ndx 22Ndx txD22tN 2TkBe 0tedxTkB)( 2

7、022TkBedD20RTQeDD0 0NQ扩散激活能扩散激活能Q Q表原子跳跃的势垒高度表原子跳跃的势垒高度. . Q Q愈低愈低, ,扩散系数扩散系数D D愈大愈大 例如氢、硼、碳、氮等以填隙的方式存在于铁中，实例如氢、硼、碳、氮等以填隙的方式存在于铁中，实验得出在验得出在1100 1100 时，它们在时，它们在 -铁中的扩散系数如下表。铁中的扩散系数如下表。C0元素元素扩散系数扩散系数（米（米2 2/ /秒）秒）氢氢81091 .硼硼111016 .碳碳111076 .氮氮铁铁16109 11108 . 3空位周围的空位周围的原子占据原子占据空位，原位置成为新的空位，空位，原位置成为新的空位，即即空位空位借助空位扩散的原子借助空位扩散的原子, ,仅当相邻格点是空位仅当相邻格点是空位, ,才可跳跃才可跳跃TkBeP0P表邻近格点为空位的几率表邻近格点为空位的几率一定温度下一定温度下, ,平衡时平衡时, ,空位数目空位数目TkNnB/e晶体中原子数晶体中原子数TkBeNnPTkwBe)(0TkwBedD)(20（1 1）空位形成能）空位形成能影响扩散影响扩散系数因素系数因素（2 2）大，则空位少；大，则空位少；势垒高度势垒高度 高，则空位移动难。高，则空位移动难。