材料科学基础-扩散

第八章扩散本章重点:

(1)扩散的概念与本质(2)固态金属扩散的条件

(3)影响扩散的因素

扩散是物质中原子（分子）的迁移现象，是物质传输的一种方式。例如：熔炼，偏析，均匀化，氧化等过程固态——扩散（唯一机制）气、液态——对流、扩散、（带电粒子迁移）扩散定义：物质中原子或分子通过无规运动导致宏观迁移与传质的现象。(移动距离超过平均原子间距)§1扩散概述一、扩散现象和本质扩散通常是自浓度高的向低浓度方向进行；固体也存在扩散，但固体扩散速率十分缓慢，如柯肯达尔效应：（置换互溶的组元）固体金属原子扩散本质：

原子在其平衡位置进行热振动，由于能量起伏，部分原子越过能垒；当大量原子不断克服原子之间能垒，跃迁到邻近位置时，即实现宏观的物质迁移过程。阻力：邻近原子间势能垒（激活能Q）驱动力：热振动原子的能量起伏——与温度有关固态扩散是大量原子无序跃迁的统计结果

若晶体周期场的势能曲线是倾斜的，导致向右跳跃的原子数大于反向跳回的原子数，大量原子无序迁跃的统计结果，即造成了物质的定向输送——扩散设存在纯金属8列原子，中间四列原子含有4个同位素原子，每个原子平均跃迁一次后出现的同位素原子分布情况。二、扩散机制扩散不仅由原子热运动所控制，而且还要受具体的晶体结构所制约；即扩散机制随晶体结构不同而变化

(2)间隙扩散—小原子

如：碳在奥氏体中扩散

(1)空位扩散—主要机制

如：自扩散，置换扩散两种主要机制：交换机制环形机制空位机制松弛机制简单间隙机制推填子间隙机制非共线推填子哑铃间隙扩散哑铃转位扩散挤列扩散机制三、固态金属扩散的条件①存在扩散驱动力——化学位梯度（不是浓度梯度）；此外，化学位梯度、温度梯度、应力梯度、电场梯度、磁场梯度等也可以引起扩散(热力学)②扩散原子与基体固溶——（前提条件）③温度足够高——温度越高，跃迁几率大（动力学）④足够长时间——扩散1mm距离，必须跃迁亿万次

（宏观迁移的动力学条件）四、固态扩散的分类

通常扩散伴随浓度变化,且高浓度→低浓度，但实际上：并非一定如此例如：纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长大(晶界的迁移)——扩散中无浓度变化；又如：奥氏体转变为珠光体时：

奥氏体转变为渗碳体时碳由低浓度的奥氏体向高浓度的渗碳体扩散——扩散的种类（类型）不同①自扩散——扩散中无浓度变化，即：扩散与浓度梯度无关。如：纯金属以及均匀固溶体中晶粒的长大②互(异)扩散——伴随有浓度变化的扩散，即扩散与浓度梯度有关，又称化学扩散；如:不均匀固溶体均匀化过程中异类原子的相对扩散、互相渗透过程等。根据扩散中是否发生浓度变化分类①下坡扩散——沿浓度降低的方向扩散，即原子由高浓度区向低浓度区扩散。如：固溶体均匀化过程、渗碳等。②上坡扩散——沿浓度升高的方向扩散，即原子由低浓度区向高浓度区扩散。如:奥氏体转变为珠光体时，根据扩散方向与浓度梯度方向是否相同分类①原子扩散——扩散时晶格类型不变，无新相产生②反应扩散——溶质超过固溶度，扩散中有新相产生

【要点】扩散的驱动力——化学位梯度，因多数情况下化学位梯度与浓度梯度方向一致，故看起来扩散方向似顺着浓度梯度方向。此外，温度梯度、应力梯度、电场梯度、磁场梯度等作用下也可发生上坡扩散。根据扩散中是否析出新相分类反应扩散可依据相图分析。如：1000℃下Fe-O相图由外至里依次：Fe2O3，Fe3O4,FeO，最后γ-Fe反应扩散在相界面处产生浓度突变(极限溶解度)；依据相律可知，二元系扩散层中不可能存在两相区§2扩散定律J：扩散通量，(g/c㎡·s)D：扩散系数(c㎡/s)dC/dx：浓度梯度xCⅠⅡC1C2dxJxx+dx一、菲克第一定律各处体积浓度C只随距离x变化,即单位时间通过垂直截面物质量J各处相等（稳定扩散）：

J=-D·dC/dx第一定律适于稳态扩散，如气体通过金属薄膜且不与金属发生反应时非稳态扩散：各处浓度随时间、距离变化，即C(x,t)或dC/dt≠0;如图，物质积存速率

微体积Adx内物质积存速率用体积浓度C变化率表示：二、扩散第二定律（菲克第二定律）

化简：A将扩散第一定律代入：适于非稳态即dC/dt≠0扩散第二定律（菲克第二定律）表达式:D为常数时：注意：(1)非稳态扩散——普遍、通用的扩散方程(2)求解难：须对具体扩散条件进行分析后，通过建立边界条件、初始条件以及C

表达式的推测，给出