1 / 23

第五章： 擴散

第五章： 擴散. 本章重點. • 擴散產生的機制. • 擴散對於製造程序的重要影響. • 預測擴散率. • 擴散與溫度、結構的關係. 擴散. 擴散 - 因原子運動而產生的質量傳遞 機制 玻璃＆液體 – 原子的隨機運動 ( 布朗運動 ) 固體 – 空位與格隙原子的運動. 擴散. 經一段時間後. • 交互擴散 : 在合金中，原子一般由高濃度區域 向低濃度區域移動. 起始. Adapted from Figs. 5.1 and 5.2, Callister 7e. 濃 度. 濃 度.

ailsa
Download Presentation

第五章： 擴散

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 第五章： 擴散 本章重點 • 擴散產生的機制 • 擴散對於製造程序的重要影響 •預測擴散率 • 擴散與溫度、結構的關係

  2. 擴散 擴散 - 因原子運動而產生的質量傳遞 機制 • 玻璃＆液體– 原子的隨機運動 (布朗運動) • 固體 – 空位與格隙原子的運動

  3. 擴散 經一段時間後 • 交互擴散: 在合金中，原子一般由高濃度區域 向低濃度區域移動 起始 Adapted from Figs. 5.1 and 5.2, Callister 7e. 濃 度 濃 度 位置 位置

  4. 擴散 C C D A A D B B • 自擴散:純金屬中的原子也會移動 標出A、B、C、D原子 一段時間後的位置

  5. 擴散機制 空位擴散: • 原子與空位交換位置而移動 • 產生於置換型固溶體中 • 影響擴散率的因素: --空位數量 --交換位置所需的活化能. 時間增加

  6. 擴散機制 • 格隙擴散– 小原子可在原子之間擴散 擴散後格隙原子的位置 擴散前格隙原子的位置 Adapted from Fig. 5.3 (b), Callister 7e. • 格隙擴散速度高於空位擴散

  7. 利用擴散的製造程序 • 表面硬化: --將碳原子擴散進入表面 的鐵原子之間 --應用於齒輪的表面硬化 Adapted from chapter-opening photograph, Chapter 5, Callister 7e. (Courtesy of Surface Division, Midland-Ross.) • 齒輪表面因碳進入而硬化，但內部仍具有延、韌性

  8. 利用擴散的製造程序 0.5mm • 沈積P以得富含 • P的表面層. 電腦晶片放大圖hip 矽 2. 加熱 3. 產生摻雜P的半導體 淺色區域：矽原子 淺色區域：鋁原子 矽 • 在矽中摻雜(doping) 磷以穫得n型半導體: • 程序: Adapted from chapter-opening photograph, Chapter 18, Callister 7e.

  9. M = 擴散通過 的質量 Jslope 時間 擴散 擴散通過的莫爾數(或質量) (表面積)(時間) • 量化擴散率（J = 擴散通量） • 實驗量測法 • 已知表面積的薄膜 • 產生某原子的濃度梯度 • 量測原子通過薄膜的速率 J = 擴散通量 = A:表面積 M:質量 t: 時間

  10. C1 C1 C2 x1 x2 C2 x 穩態擴散 • 擴散與時間有關 • 擴散通量正比於濃度梯度（ ） Fick’s 第一擴散定理 D 擴散係數 若濃度梯度為線性

  11. æ ö ç ÷ = D Do exp è ø Qd D = 擴散係數 [m2/s] - Do R T =指數項前係數 [m2/s] Qd = 活化能[J/mol or eV/atom] R = 氣體常數[8.314 J/mol-K] T = 絕對溫度[K] 擴散與溫度 • 擴散係數隨溫度T提高

  12. T(C) 1500 1000 600 300 10-8 æ ö ç ÷ = D Do exp D (m2/s) C in g-Fe C in a-Fe è ø D >> D 置換 C in a-Fe 格隙 Al in Al C in g-Fe Fe in a-Fe Qd 10-14 Fe in g-Fe - Fe in a-Fe Fe in g-Fe Al in Al R T 10-20 1000/T 0.5 1.0 1.5 擴散與溫度 D隨溫度指數增加  D 隨T 增加 D 與1/T 成反比 ） Adapted from Fig. 5.7, Callister 7e. (Date for Fig. 5.7 taken from E.A. Brandes and G.B. Brook (Ed.) Smithells Metals Reference Book, 7th ed., Butterworth-Heinemann, Oxford, 1992.)

  13. 數據 轉換 ln D D Temp = T 1/T 例題: 300ºC時銅在矽中的擴散係數與活化能為 D(300ºC) = 7.8 x 10-11 m2/s Qd = 41.5 kJ/mol 試求350ºC時的擴散係數?

  14. T1 = 273 + 300 = 573K T2 = 273 + 350 = 623K D2 = 15.7 x 10-11 m2/s 例題（承上）

  15. 非穩態擴散 • 擴散物質的濃度為時間與位置的函數C = C(x,t) • 這種情況需應用Fick’s 第2定律 Fick’s 第2定律

  16. C s 非穩態擴散 • 銅原子擴散進入鋁棒中 bar 表面銅原子 的濃度 C s 原有銅原子的濃度 Co 濃 度 Adapted from Fig. 5.5, Callister 7e. 位置 邊境條件 t = 0時, C = Co for 0  x   t > 0時, C = CS for x = 0 (銅原子的表面濃度固定) C = Co for x =  (銅原子的深處濃度固定)

  17. Fick’s 第2定律的解 C(x,t) = 時間t 、位置x erf (z) = error function erf(z) 的值可由表 5.1查出 CS 濃 度 C(x,t) Co 位置

  18. 非穩態擴散 • 例題：FCC鐵-碳合金原具有0.25 wt% 均勻碳濃度，置於 中處理，若表面的碳濃度突然提高至1.20 wt%，且保持不變，試求由表面往內0.5 mm位置的碳含量，到達0.80 wt%需要多少時間？在此溫度下，碳在鐵中的擴散係數為 ； ，假設鋼材是半無限長固體 • 解: 由表5.1，查0.4210所對應的錯誤函數

  19. 解 (承上): 以內差法求z值 Z erf(z) 0.35 0.3794 Z 0.4210 0.40 0.4284 因此 可得

  20. 非穩態擴散 或 例題：銅在鋁中於500和 的擴散係數分別是 和 ，試決定在 時，需要多少時間才會產生與在 熱處理10 h相同的結果( 依據Al中某一特定點的Cu濃度 )。 解： 此擴散問題可使用式 (5.6b)，兩種擴散狀況在相同位置產生相同濃度，( 即x也是常數 )，因此，在兩個溫度下 因此 亦即

  21. 其它擴散路徑 • 擴散捷徑 差排、晶界、外表面，結構開放，原子遷移快，擴散速率高於體擴散。 擴散捷徑的橫截面積相當小，對總擴散通量的貢獻不大

  22. 結論（一） • 擴散機制 • 空位（置換型固溶體）與格隙原子（格隙型固溶體）的運動 • 擴散公式 • Fick第一定律（穩態擴散） • 擴散物種的擴散通量或速率正比於負濃度梯度，且濃度分布與時間無關。 • Fick第二定律（非穩態擴散） • 擴散物質的濃度為時間與位置的函數

  23. 結論（二） 擴散較快，當... • 開闊結晶構造 • 具次要鍵結的材料 • 較小的擴散原子 • 材料密度較低 擴散較慢，當... • 緊密堆積結晶構造 • 具共價鍵的材料 • 較大的擴散原子 • 材料密度較高

More Related