擴散係數與擴散距離計算工具

由頻率因子D0與活化能Q求出某溫度下的擴散係數,再由加熱時間估算原子會擴散到多深。預設值是沃斯田鐵(γ鐵)中的碳(D0 = 2.3 × 10⁻⁵ m²/s,Q = 148 kJ/mol),在900 ℃滲碳4小時的情形。

輸入

結果

絕對溫度 T
–
擴散係數 D
–
擴散距離的估計值 √(Dt)
–

表面濃度固定時(半無限體)

深度x處的濃度比 (Cx − C0)/(Cs − C0)
–

D0與Q是由材料與擴散元素的組合決定的值。濃度比是以表面濃度Cs保持固定、試樣夠厚而可視為半無限體時的誤差函數解計算。氣體常數 R = 8.314 J/(mol·K)。

擴散係數的溫度相依性(阿瑞尼斯式)

固體中的原子沿著空位或晶格間隙跳躍式地移動。每1次跳躍都必須越過活化能Q,因此擴散係數依 D = D0·exp(−Q/RT) 隨溫度呈指數變化。在預設值(γ鐵中的碳,900 ℃ = 1173.15 K)下,D = 2.3 × 10⁻⁵ × exp(−148000/(8.314 × 1173.15)) ≈ 5.91 × 10⁻¹² m²/s。只要溫度提高100 ℃,D就會變為數倍,因此熱處理的溫度管理很重要。兩邊取對數得 ln D = ln D0 − Q/(RT),對1/T成為直線,由其斜率可求得−Q/R。

擴散距離的估計值 √(Dt)

原子藉擴散移動的距離不與時間成正比,而是與時間的平方根成正比。常用 x ≈ √(Dt) 作為估計值,在預設值的4小時(14,400 s)下為 √(5.91 × 10⁻¹² × 14400) ≈ 0.292 mm。要使擴散深度變為2倍,在相同溫度下需要4倍的時間。依定義不同,公式的係數有時取 2√(Dt) 等,比較時請統一定義。

滲碳與誤差函數解

將鋼的表面保持在碳濃度Cs的氣氛中滲碳時,初始濃度C0的厚試樣內的濃度分布,以菲克第二定律的解 (Cx − C0)/(Cs − C0) = 1 − erf(x/(2√(Dt))) 表示。在預設值的深度0.5 mm處,x/(2√(Dt)) ≈ 0.857,濃度比約為22.6 %。例如 C0 = 0.20 wt%、Cs = 1.00 wt% 時,0.5 mm處的碳濃度約為0.38 wt%。erf(z)是z為0時為0、z超過2時幾乎為1的函數。

D0與Q的代表值

在晶格間隙中移動的小原子越容易擴散,置換型原子則較難。γ鐵中的碳(間隙擴散)D0 ≈ 2.3 × 10⁻⁵ m²/s、Q ≈ 148 kJ/mol,α鐵中的碳 D0 ≈ 1.1 × 10⁻⁶ m²/s、Q ≈ 87 kJ/mol。另一方面,鐵的自擴散(γ鐵中,空位機制)Q ≈ 280 kJ/mol 左右而很大,即使在相同溫度下也慢好幾個數量級。數值依文獻而有範圍,用於計算時請直接輸入出處的值。

練習晶體缺陷與擴散的題目

厚度5.0 mm的鋼板兩面的碳濃度分別保持在1.2 kg/m³與0.8 kg/m³,處於穩態擴散。設擴散係數為3.0×10⁻¹¹ m²/s,碳的擴散通量最接近下列何者?假設濃度沿板厚方向呈直線變化。

  1. A約2.4×10⁻¹² kg/(m²·s)
  2. B約7.2×10⁻⁹ kg/(m²·s)
  3. C約2.4×10⁻⁹ kg/(m²·s)
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正確答案:C. 約2.4×10⁻⁹ kg/(m²·s)

在穩態下可使用菲克第1定律 J = −D(dC/dx)。濃度梯度為 (0.8 − 1.2)/(5.0×10⁻³ m) = −80 kg/m⁴,因此 J = 3.0×10⁻¹¹ × 80 = 2.4×10⁻⁹ kg/(m²·s),由高濃度側流向低濃度側。約2.4×10⁻¹² 是厚度直接以 mm 的5.0去除的單位換算錯誤,約7.2×10⁻⁹ 是用單側的濃度1.2 kg/m³取代濃度差的錯誤。產生流動的是濃度差,因此正確求出梯度很重要。這個觀念也用於氫的穿透試驗與氣體分離膜的評估。

碳在γ鐵中的擴散係數遵循 D₀ = 2.3×10⁻⁵ m²/s、活化能 Q = 148 kJ/mol 的阿瑞尼斯式 D = D₀exp(−Q/RT)。927℃時的擴散係數最接近下列何者?氣體常數為 R = 8.314 J/(mol·K)。

  1. A約8.3×10⁻¹² m²/s
  2. B約1.1×10⁻¹³ m²/s
  3. C約2.3×10⁻⁵ m²/s
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正確答案:A. 約8.3×10⁻¹² m²/s

溫度要換算成絕對溫度,T = 927 + 273 = 1200 K。Q/RT = 148000/(8.314 × 1200) ≈ 14.83,因此 D = 2.3×10⁻⁵ × exp(−14.83) ≈ 2.3×10⁻⁵ × 3.6×10⁻⁷ ≈ 8.3×10⁻¹² m²/s。約1.1×10⁻¹³ 是溫度直接以℃的927代入的錯誤。約2.3×10⁻⁵ 是 Q 直接以 kJ 的148代入、使指數幾乎為0的錯誤,因此得到與 D₀ 幾乎相同的值。D隨溫度呈指數變化,因此只要將滲碳溫度提高數十℃,就能大幅縮短處理時間。

某元素的擴散係數在800 K時為1.0×10⁻¹⁴ m²/s,在1000 K時為4.0×10⁻¹³ m²/s。若遵循阿瑞尼斯式 D = D₀exp(−Q/RT),活化能Q最接近下列何者?R = 8.314 J/(mol·K)。

  1. A約53 kJ/mol
  2. B約123 kJ/mol
  3. C約245 kJ/mol
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正確答案:B. 約123 kJ/mol

取2個溫度下公式的比值,D₀ 即消去,得到 ln(D₂/D₁) = (Q/R)(1/T₁ − 1/T₂)。D₂/D₁ = 40,ln 40 ≈ 3.689,1/800 − 1/1000 = 2.5×10⁻⁴ K⁻¹,因此 Q = 8.314 × 3.689 / (2.5×10⁻⁴) ≈ 1.23×10⁵ J/mol,即約123 kJ/mol。約53 kJ/mol 是以常用對數(log₁₀ 40 ≈ 1.602)取代自然對數的錯誤,約245 kJ/mol 是與 exp(−Q/2RT) 的形式混淆而乘以2的值。實務上會將 ln D 對 1/T 作圖,由直線的斜率 −Q/R 求出Q。

常見問題

擴散係數的單位是什麼?

SI單位為 m²/s。文獻中也常以 cm²/s 表示,以 1 cm²/s = 10⁻⁴ m²/s 換算。本計算工具的D0請以 m²/s 輸入。

擴散距離為什麼與時間的平方根成正比?

因為原子朝隨機方向反覆跳躍(隨機漫步),平均移動距離與跳躍次數的平方根成正比。跳躍次數與時間成正比,因此距離與 √t 成正比。

知道的是以 eV 為單位的活化能時該怎麼辦?

1 eV/原子約為96.49 kJ/mol。例如1.5 eV時輸入約145 kJ/mol。以每1個原子計算時,以波茲曼常數 k = 8.617 × 10⁻⁵ eV/K 取代氣體常數R,使用 D = D0·exp(−Q/kT)。

相關名詞

擴散係數 菲克定律 空位

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