材料科学基础-扩散

稳定扩散 不稳定扩散 菲克第一定律 菲克第二定律 本征扩散 非本征扩散 自扩散 互扩散 扩散系数 扩散通量 上坡扩散 扩散激活能 若扩散物质在扩散层dx内各处的浓度不随时间而变化，即dc/dt=0。这种扩散称稳定扩散 扩散物质在扩散层dx内的浓度随时间而变化，即dc/dt≠0。这种扩散称为不稳定扩散 在扩散体系中，参与扩散质点满足J-DC，即菲克第一定律 x2CCD2，即菲克第二定律 在扩散体系中，参与扩散质点满足tx扩散系统仅受热运动的影响形成的扩散称之为本征扩散 因扩散受固溶引入的杂质离子的电价和浓度等外界因素所控制，故称之为非本征扩散。相应的D则称为非本征扩散系数 一种原子或离子通过由该种原子或离子所构成的晶体中的扩散 两种或两种以上的原子或离子同时参与的扩散 扩散系统中，单位浓度梯度下的通量 扩散系统中，单位时间内通过垂直于x轴的单位平面的原子数量 溶质原子从浓度地处向浓度高处迁移的现象称为上坡扩散；产生的原因是扩散的推动力是化学位梯度，而不是浓度梯度 原子在晶体结构中由一个平衡位置跳向相邻的平衡位置时，通常要越过一个自由能垒，该能垒高度称为扩散激活自由能，它是原子扩散的阻力。扩散激活自由能的内能部分称为扩散激活能 对于置换型固溶体中溶质原子的扩散，由于溶质与溶剂原子的半径相差不大，原子扩散必须与相邻原子间做置换，能观察到这种结果的实验现象称为柯肯达尔效应 伴随有化学反应或相变的扩散过程称之为反应扩散或相变扩散，反应扩散速度主要受化学反应和扩散速度控制 固态金属中原子沿表面,晶界,位错等途径的扩散 扩散方向 空位扩散方向的逆方向 扩散激活能 空位形成能和迁移能之和 扩散系数 D柯肯达尔效应 反应扩散 短路扩散 扩散机构 1.扩散机构总结 迁移方式 质点从结点位置上迁移到相邻的空位中 空位扩散机构（主要） Q)RTfDexp(0HD0exp(2)2Q:扩散激活能，大小等于空位形成能和迁移能之和H* 间隙扩散机构（主要） 亚间隙机构 间隙原子迁移能 DD0exp( Q)RT 间隙质点穿过晶格迁移到另一个间隙位置 间隙质点从间隙位置迁移结点位置，并将结点位置上的质点撞离结点位置而成为新的间隙质点 两个相邻结点位 易位扩散机构 置上的质点直接交换位置进行迁移 环易位机构 几个结点位置上的质点以封闭的环形依次交换位置进行迁移 1.空位机构和间隙机构是金属体系和离子化合物体系中质点扩散的主要形式 2.空位机构比间隙机构的扩散激活能大，但是扩散系数小 3.固态金属中扩散方向是化学位梯度降低方向 2.扩散中常用公式 DD0exp(Q)RT

12D(频率,自由程)

6CJ-D(适用于稳定扩散和非稳定扩散)

xCCD（不稳定扩散） 2txdmdcJA-DA dtdx2xKDt(实验测得的浓度已知) lnI(x,t)A4Dtx2（A：图像的截距，-1为斜率；） 4Dt

3.扩散的结果都是使不均匀体系均匀化，不平衡逐渐达到平衡 4.非稳定扩散类型

扩散质在晶体表面浓度恒定情况：C(x,t)C0erfc(x) 2DtM2(Dt)12C(x,t)定量扩散质由晶体表面向内部扩散（示踪扩散法原理）：exp(4Dtx2)

5.本征扩散一般处于高温处，非本征扩散一般处于低温处；由杂质扩散转变为本征扩散，其

lnDr-1曲线上会出现转折点;置换型固溶体扩散一般只能在高温进行;杂质浓度升高,转折T点升高

6.扩散系数测定一般使用示踪扩散方法

7.扩散动力学方程式（能斯特-爱因斯坦方程）

D(N1D2N2D1)(1(1~lnln12)

lnlnlnln12)>0:扩散系数大于0,正常扩散,高浓度向低浓度迁移,溶质趋于均匀

(112)<0:扩散系数小于0,反常扩散,低浓度向高浓度迁移,溶质偏聚或分相

8.影响扩散系数因素

温度:影响扩散激活能和改变物质结构 杂质 气氛 ④固溶体类型:间隙性固溶体比置换型固溶体更容易扩散;在置换型固溶体中,原子间尺寸差别越小,电负性越大,亲和力越强,扩散越困难 ⑤扩散物质性质和结构 ⑥化学键类型和强度 ⑦扩散介质结构:体心立方结构大于面心立方结构的扩散系数 ⑧结构缺陷:结构缺陷活化能小,容易扩散 9.激活能越大,扩散速率对温度的敏感性越大 10.反应扩散对扩散层深度的影响过程

实际上反应扩散起初由于新相层较浅,原子扩散不是主要矛盾,过程由表面扩散所支配,新相层的增加服从直线关系;随新相层深度增加,原子扩散逐步称为主要矛盾,新相层的增加服从抛物线规律