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授課教師：吳家豪 2011 / 11 / 21

材料科學與工程導論 Introduction to Materials Science and Engineering. 授課教師：吳家豪 2011 / 11 / 21. 第五章 擴散. 5.0 擴散. 空位缺陷～材料內部原子的 熱振動 引起的。 缺陷的濃度：隨 溫度 呈現 指數增加 ！ 『 滲碳 』 ：鋼藉由在 富含碳 的環境中，將碳 原子擴散進入鋼的表面，使鋼的 表面硬化 的一種 熱處理 。. 5.0 擴散. 一般的擴散：在整個材料體積內的擴散。 體擴散 或 整體擴散 依擴散原子傳遞情況分類：

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Presentation Transcript

  1. 材料科學與工程導論 Introduction to Materials Science and Engineering 授課教師：吳家豪 2011 / 11 / 21

  2. 第五章 擴散

  3. 5.0 擴散 • 空位缺陷～材料內部原子的熱振動引起的。 • 缺陷的濃度：隨溫度呈現指數增加！ • 『滲碳』：鋼藉由在富含碳的環境中，將碳 原子擴散進入鋼的表面，使鋼的表面硬化的一種熱處理。

  4. 5.0 擴散 • 一般的擴散：在整個材料體積內的擴散。 • 體擴散 或 整體擴散 • 依擴散原子傳遞情況分類： • 1.晶界擴散（grain boundary diffusion） • ～原子傳遞主要沿著晶界發生！ • 2.表面擴散（surface diffusion） • ～原子傳遞主要沿著材料表面發生！

  5. 5.1 熱活化過程 反應速率會隨著溫度呈指數形式增加 C：常數（與溫度無關） Q：活化能 R：通用氣體常數 pV=nRT 阿瑞尼斯方程式（Arrhenius equation）

  6. 5.1 熱活化過程 阿瑞尼斯圖 （Arrhenius plot）

  7. 5.1 熱活化過程 <Given:> 鎂合金＠300。C，氧化反應速率k=1.0510-8kg/(m4·S) 鎂合金＠400。C，氧化反應速率k=2.9510-4kg/(m4·S) 通用氣體常數 R=8.314 J/(mol·K)，試求氧化過程活化能Q <Sol：>

  8. 5.1 熱活化過程 反應速率~~引入亞佛伽厥常數 C：常數（與溫度無關） Q：活化能 R：通用氣體常數 pV=nRT Nv：亞佛伽厥常數 k ：波茲曼常數（13.810-24J/K）

  9. 5.1 熱活化過程 Maxwell-Boltzmann distribution P：@特定條件下，發現分子的機率 E：能障的平均能量 k ：波茲曼常數（13.810-24J/K） 活化能：必須藉由熱活化加以克服的能障。

  10. 5.1 熱活化過程～能障概念

  11. 5.1 熱活化過程～能障概念

  12. 5.1 熱活化過程 從阿瑞尼斯方程式可發現： 在每一種條件情況下，每一種反應程序皆會有某一機構支配著反應過程。倘若，過程中涉及好幾個連續反應步驟，則最慢的反應步驟就是所謂的速率限制步驟。而該速率限制步驟的活化能，就是整個反應過程的活化能。

  13. 5.2 點缺陷的熱積 • 點缺陷的發生：晶體結構內原子作週期擺動 • 或熱振動的結果。 • 當溫度升高時，振動強度增加，缺陷發生的 程度也隨之增加！點缺陷濃度隨溫度增加， 呈現指數形式增加！

  14. 5.2 點缺陷的熱積 點缺陷與理想晶格位置的比值（點缺陷濃度）： C：常數項 E缺陷：在晶體結構中欲產生單一點缺陷 所需能量 k ：波茲曼常數（13.810-24J/K） T ：絕對溫度

  15. 5.2 點缺陷的熱積 空位缺陷與理想晶格位置的比值（空位濃度）： C：常數項 Ev：在晶體結構中欲產生單一空位所需能量 k ：波茲曼常數（13.810-24J/K） T ：絕對溫度

  16. 5.2 點缺陷的熱積

  17. 5.2 點缺陷的熱積 <Given:> 鋁＠400。C，鋁晶格位置的空位比為2.2910-5 ，Ev=0.76eV 試求鋁＠660。C時的空位濃度 <Sol：>

  18. 5.3 點缺陷與固態擴散

  19. 5.3 點缺陷與固態擴散

  20. 5.3 點缺陷與固態擴散 A-B互換擴散

  21. 5.3 點缺陷與固態擴散 互換擴散

  22. 5.3 點缺陷與固態擴散 菲克第一定律

  23. 5.3 點缺陷與固態擴散 菲克第二定律

  24. 5.3 點缺陷與固態擴散

  25. 高斯誤差函數

  26. 5.3 點缺陷與固態擴散

  27. 5.3 點缺陷與固態擴散

  28. 5.3 點缺陷與固態擴散

  29. 金屬系統的擴散係數

  30. 金屬系統的擴散係數 Qbcc<Qfcc Dfcc<Dbcc

  31. 金屬系統的擴散係數

  32. 金屬系統的擴散係數

  33. 5.4 穩態擴散

  34. 5.4 穩態擴散

  35. 5.5 擴散路徑

  36. 5.5 擴散路徑

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