扩散机制晶体结构

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8-第八章扩散详解

向一致
注意：（1）关系式并不涉及扩散系统内部原子运动的微观过程。（2）适用于扩散系统的任何位置和扩散过程的任一时刻。
4、扩散第二定律
通常的扩散过程大都是非稳态扩散
1）一维扩散 A x, J x 和 J xx 分在扩散方向上取体积元 Ax, J ， x 别表示流入体积元及从体积元流出的扩散通量，则在Δt时间内，体积元中扩散物质的积累量为
C C (D ) t x x
C C D 2 t x
2
5、扩散方程的应用
（一）一维稳态扩散
（二）不稳态扩散
5、扩散方程的应用
对于扩散的实际问题，一般要求出穿过某一
曲面（如平面、柱面、球面等）的通量J，单位
时间通过该面的物质量dm/dt=AJ，以及浓度分
布c(x,t)，为此需要分别求解菲克第一定律及菲
存在着热起伏iiuixfx????组分的质点沿方向扩散受到的应力iibbiiufx????i相应的质点运动平均速率vii组分质点的平均速率或淌度iijcii组分的扩散通量viiiiiicjcbcbcxiiuux????????iicjdx???iiiiiicbcblnciiiudu??????iiiibblnclnniiiuud?????iicnlncidn?idlnc00iilnlnlnln1lnnlnln1lniiiiiiiiiiiitprtrtnurtndrtbn??????????????????????扩散系数的热力学因子判断扩散类型的特征项ln100lniiidn??????ln100lniiidn??????由低浓度区向高浓度区的扩散逆扩散上坡扩散偏聚由高浓度区向低浓度区的扩散顺扩散下坡扩散均匀化22扩散系数扩散的动力学方程将宏观的扩散系数与质点的微观运动联系起来

1 金属中的扩散

1
2
G G2 Q G1
1 2
x
6
第2节扩散定律和应用
2.1 菲克第一定律
1855年，德国人菲克（A. Fick）通过实验确立了扩散物质量与其浓度梯度之间的宏观规律，即单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的物质量与该物质在该面积处的浓度梯度成正比。
2.1 菲克第一定律第一定律的局限性： • 没有体现扩散的真正驱动力 — 化学位梯度
扩散第二方程的常用解： 1）高斯解（Guass solution, 薄膜解）
22 M x M exp( x ) C C exp( ) 4 Dt Dt 4 Dt Dt
C2>C1
适用的扩散问题： ● 扩散过程中扩散元素的质量保持不变，其值为M；
● 扩散开始时扩散元素集中在表面，类似一薄层； ● 初始条件：t=0，C=0； ● 边界条件：x=∞，C=0
x 仅用浓度梯度去判定扩散方向有时是不正确的。
如：调幅分解、上坡扩散。 • 仅能解释稳态扩散问题，即扩散区内任一点浓度不随时间变化。
2.2 菲克第二定律
如果浓度梯度随时间变化，扩散通量不是常数，使用第一定律就不太方便；这时需要利用第一定律的推论-菲克第二定律。
2.2 菲克第二定律
物质流入元体积内的量减去流出量必然等于积存在这个物质流入元体积内的量减去流出量必然等于积存在这个体积内的物质量。体积内的物质量。物质流入元体积的速率，减去流出的速率，应等于这个物质流入元体积的速率，减去流出的速率，应等于这个体积内物质的积存速率。体积内物质的积存速率。流入速率-流出速率=存积速率
J1At J 2 At CAx C C D t D t Cx x x x1 x2 C C D D x x 2 x x 1 C x t

第八章扩散

右跳动的几率将大于向左跳动的几率，在同一时间内，向右跳过去的原子数大于反向跳回来的原子数，大量原子无序跃迁的统计结果，就造成物质的定向传输，即发生扩散。所以，扩散不是原子的定向跃迁过程，扩散原子的这种随机跃迁过程，被称为原子的随机行走。
扩散现象和本质
图8-3 对称和倾斜的势能曲线
扩散现象和本质
呈正弦波形变化（图8-12b）。
扩散应用举例
（一）铸锭（件）的均匀化退火
图8-12 铸锭中的枝晶偏析a）及溶质原子在枝晶二次轴之间的浓度分布b）
扩散应用举例
（二）金属的粘接
1.
钎焊是连接金属的一
种方法。钎焊时，先将零
件（母材）搭接好，将钎
料安放在母材的间隙内或
间隙旁（图8-13），然后
将它们一起加热到稍高于
三、固态金属扩散的条件
扩散过程都是在扩散驱动力作用下进行的，如果没有扩散驱动力，也就不可能发生扩散。墨水向周围水中的扩散，锡向钢表面层中的扩散，其扩散过程都是沿着浓度降低的方向进行，使浓度趋于均匀化。相反，有些杂质原子向晶界的偏聚，使晶界上的杂质浓度要比晶内高几倍至几十倍，又如共析转变和过饱和固溶体的分解，扩散过程却是沿着浓度升高的方向进行。可见，浓度梯度并不是导致扩散的本质原因。
扩散现象和本质
应当指出，固态扩散是大量原子无序跃迁的统计结果。在晶体的周期势场中，原子向各个方向跃迁的几率相等，这就引不起物质传输的宏观扩散效果。如果晶体周期场的势能曲线是倾斜的（图8-3），那么
原子自左向右跃迁的激活能为Q，而自右向左的激活能在数值上为Q+ΔG（图8-3c）。这样一来，原子向
固态金属扩散的条件
（一）扩散要有驱动力
从热力学来看，在等温等压条件下，不管浓度梯度如何，组元原子总是从化学位高的地方自发地迁移到化学位低的地方，以降低系统的自由能。只有当每种组元的化学位在系统中各点都相等时，才达到动态平衡，宏观上再看不到物质的转移。当浓度梯度与化学位梯度方向一致时，溶质原子就会从高浓度地区向低浓度地区迁移；相反，当浓度梯度与化学位梯度不一致时，溶质原子就会朝浓度梯度相反的方向迁移。可见，扩散的驱动力不是浓度梯度，而是化学位梯度。

金属冶炼中的扩散与固溶行为

扩散：金属元素在熔体中的迁移过程，影响金属的熔炼
和凝固
固溶：金属元素在熔体中的溶解过程，影响金属的熔炼
和凝固
扩散与固溶的相互作用：影响金属的熔炼和凝固，影响金属的性质和
性能
扩散与固溶对金属冶炼的影响：影响金属的熔炼和凝固，影响金属的性质和性能，影响金属的加工
和成型
扩散与固溶在金属冶炼中的实际应用案例
扩散的种类和影响因素
扩散种类：包括自扩散、互扩散和杂质扩散
影响因素：温度、压力、浓度梯度、晶体结构、杂质浓度等
扩散速率：与温度、浓度梯度、晶体结构等因素有关
扩散机制：包括空位机制、间隙机制和替位机制
扩散现象：包括晶界扩散、晶格扩散和表面扩散等
扩散应用：在金属冶炼、半导体制造等领域有广泛应用
固溶体的应用：固溶体广泛应用于合金材料中，提高材料的性能和稳定性
固溶的种类和影响因素
固溶种类：固溶体、金属间化合物、金属间化合物固溶体
固溶作用：提高金属的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性等
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
影响因素：温度、压力、时间、合金成分、晶格常数、晶格缺陷等
固溶机理：原子扩散、位错运动、晶格畸变等
扩散在金属冶炼中的应用
合金化：通过扩散使不同金属元素均匀混合，形成合金
晶粒生长：通过扩散使晶粒长大，提高金属的强度和韧性
相变：通过扩散使金属中的相变发生，形成新的相
缺陷修复：通过扩散使金属中的缺陷得到修复，提高金属的稳定性和可靠性
扩散过程的控制因素
温度：温度越高，扩散速度
越快

体积扩散和晶界扩散名词解释-概述说明以及解释

体积扩散和晶界扩散名词解释-概述说明以及解释1.引言1.1 概述体积扩散和晶界扩散是材料科学中两个重要的扩散现象。

扩散是物质在固体内部的原子或分子从高浓度区域向低浓度区域的传输过程。

在晶体结构中，扩散是通过原子或分子的跳跃来实现的，目的是达到能量的最低点。

体积扩散和晶界扩散是两种不同的扩散机制，分别发生在固体体积内部和晶界处。

体积扩散主要发生在固体结构的体积内部，即晶体内部的原子或分子之间的传输。

这种扩散过程是通过晶体晶格中的空位或间隙来实现的，并具有一定的速率和规律。

体积扩散在金属材料中尤为常见，对于材料的晶粒生长、相变行为和物理性能等都起着重要的影响。

晶界扩散指的是发生在晶体内部的晶界区域的扩散现象。

在晶体生长或材料加工过程中，由于晶粒的不完整性或晶体之间的接触，形成了晶界区域。

晶界的形成带来了晶体内部的一些缺陷和杂质，导致了晶界处的原子或分子传输过程。

晶界扩散对于晶粒生长的影响较大，也对材料的力学性能和耐蚀性等方面有一定的影响。

本文将对体积扩散和晶界扩散的定义、原理、影响因素、应用和意义进行详细的解释和探讨。

同时，还将比较和对比这两种不同的扩散机制，探究它们之间的区别和联系。

最后，通过总结体积扩散和晶界扩散的概念，强调它们在材料科学中的重要性，并展望未来的研究方向。

通过对这两个名词的解释和探讨，可以更好地理解和应用扩散现象，促进材料科学的发展和应用。

1.2文章结构文章结构部分的内容可以按照以下方式编写：1.2 文章结构本文将主要分为三个部分进行讨论。

首先，在引言部分将对体积扩散和晶界扩散的概念进行简要介绍，旨在引起读者对这两个重要的扩散现象的兴趣。

其次，在正文部分，将详细讨论体积扩散和晶界扩散的定义、原理、影响因素、应用和意义。

其中，对于体积扩散，将重点介绍其在材料科学中的重要作用以及相关领域中的应用。

对于晶界扩散，将探讨其与晶界结构的关系，以及晶界扩散在材料制备、合金强化等方面的应用。

最后，在结论部分，将总结体积扩散和晶界扩散的概念和特点，并强调它们在材料科学领域中的重要性。

《材料科学基础》第四章固体中的扩散

第四章固体中的扩散物质传输的方式：1、对流--由内部压力或密度差引起的2、扩散--由原子性运动引起的固体中物质传输的方式是扩散扩散：物质中的原子或分子由于热运动而进行的迁移过程本章主要内容:扩散的宏观规律：扩散物质的浓度分布与时间的关系扩散的微观机制：扩散过程中原子或分子迁移的机制一、扩散现象原子除在其点阵的平衡位置作不断的振动外，某些具有高能量的单个原子可以通过无规则的跳动而脱离其周围的约束，在一定条件下，按大量原子运动的统计规律，有可能形成原子定向迁移的扩散流。

将两根含有不同溶质浓度的固溶体合金棒对焊起来，形成扩散偶，扩散偶沿长度方向存在浓度梯度时，将其加热并长时间保温，溶质原子必然从左端向右端迁移→扩散。

沿长度方向浓度梯时逐渐减少，最后整个园棒溶质原子浓度趋于一致二、扩散第一定律（Fick第一定律）Fick在1855年指出：在单位时间内通过垂直于扩散方向某一单位截面积的扩散物质流量（扩散通量）与该处的浓度梯度成正比。

数学表达式（扩散第一方程）式中 J：扩散通量：物质流通过单位截面积的速度，常用量钢kg·m-2·s-1D：扩散系数，反映扩散能力，m2/S：扩散物质沿x轴方向的浓度梯度负号：扩散方向与浓度梯度方向相反可见：1）, 就会有扩散2）扩散方向通常与浓度方向相反，但并非完全如此。

适用：扩散第一定律没有考虑时间因素对扩散的影响，即J和dc/dx不随时间变化。

故Fick第一定律仅适用于dc/dt=0时稳态扩散。

实际中的扩散大多数属于非稳态扩散。

三、扩散第二定律（Fick第二定律）扩散第二定律的数学表达式表示浓度－位置－时间的相互关系推导：在具有一定溶质浓度梯度时固溶体合金棒中（截面积为A）沿扩散方向的X轴垂截取一个微体积元A·dx，J1，J2分别表示流入和流出该微体积元的扩散通量，根据扩散物质的质量平衡关系，流经微体积的质量变化为：流入的物质量—流出的物质量=积存的物质量物质量用单位时间扩散物质的流动速度表示，则流入速率为，流出速率为∴积存率为积存速度也可以用体质C的变化率表示为比较上述两式，得将Fick第一定律代入得=(D) ——扩散第二方程若扩散系统D与浓度无关，则对三维扩散，扩散第二方程为：（D与浓度，方向无关）1、晶体中原子的跳动与扩散晶体中的扩散是大量原子无规则跳动的宏观统计结果。

6.2 晶体中的扩散及其微观机制

1. 空位机制
这种机制认为扩散过程是通过空位的迁移而实现的，即扩散原子与空位交换位置而迁移。当原子邻近有一空位时，原子才能跳跃一步。设原子跳跃一步所需的时间为 S 。但实际上，原子邻近有空位的几率为 ns N ，即空位平均跳 N / nS 步,也就是说空位经历 ( N / nS ) S时间间隔才能接近扩散原子并与之交换位置，完成一次布朗行程的跳跃。因此
若这之间经历了 f 小步，则有
l x1 x2 x f
以及
l 2 xi2 xi x j
i 0 j i
f
对无规则运动， xi 的方向是完全杂乱的，并且 f 是个大数，所以有 xi x j 0 即 f j i l 2 xi2
i 0
由于从一个正常格点出发，填隙原子平均要跳 N nS小步，才能遇到空位，即 f N nS，而每一小步的距离就是晶格常数 a ，即 xi a ，所以，填隙原子的平均布朗行程
8 1015
2 101
4.0
1.3 104
56
10.6
800 0C
8.6 107
6.2.2自扩散的微观机制
现在从微观角度讨论晶体中的扩散。从微观看，是在无外场作用下，扩散时原子无规则布朗运动的结果。而在纯基体中基质原子的布朗运动是以晶体中存在缺陷为前提的，完整的晶体不会发生迁移。设想一正常格点处的原子由于涨落脱离格点，就产生肖脱基缺陷或夫伦克尔缺陷。其留下的空位为四周的邻近原子的迁移提供了空间。其邻近原子可能填补这个空位而留下另一个空位，从而使空位移动一步。对填隙原子也是如此。伴随着缺陷的无规则运动，基质原子就可能不断的从一处向另一处作布朗运动。因此扩散是缺陷运动的直接结果。

第四章晶态固体中的扩散

对于立方点阵，所有跳动都有相同的长度，此时
R r nr 2 2 2
n
n
（4.14）
R 2 r n n
（4.15）
式4.15表明，原子迁移的平均距离与跳动次数n 的平方根成正比。若原子跳动n次所需的时间为t，则n=Гt（Г原子的跳动频率），所以，原子迁移的平均距离又与时间的平方根成正比。
（4.21）
根据热力学 G H TS E TS 凝聚态体系 H E
固态时⊿S随温度变化不大，可视为常数，故式4.21可写为
D [2PZ exp(S / k)]exp(E / kT) （4.22）
rn之和即rrinin???1完全无规则行走每次跳动方向均与前次的跳动方向无关对任意的点积???????212rrinin??????????????????rrrrjiiinjniinin1112122因而41141241002111???????????rrjiiinjni大多数情况下由于晶体中存在着点缺陷空位间隙原子及在合金中存在着异类原子因此在两次跳跃方向之间总是不可避免地存在着相关效应此时02111???????????rrjiiinjni当存在相关效应时可用一种简便的方法定量表示这些相关即求实际的r2实际和完全无规行走的r2无规行走之比
t
x
C J t x
将菲克第一定律代入上式，可得
C (D C ) t x x
（4.2）
该方程为菲克第二定律定律。如果假定D与浓度无关，则上式可简化为
（4.3）
菲克第二定律表达了扩散元素浓度与时间及位置的一般关系。根据初始条件和边界条件处理具体问题，便可获得相应的解。
三、扩散方程的解
对于非稳态扩散，则需对菲克第二定律按所研究问题的初始条件和边界条件求解。

工程材料基础-4. 固体中的扩散

4.1.1 扩散的微观机制及扩散激活能
扩散机制：原子如何在晶格内迁移, 主要包括有空位扩散机制和间隙扩散机制。
1. 空位机制
定义：处于晶体点阵结点位置的原子与近邻空位交换位置而实现原子迁移，这种扩散机制为空位扩散机制。条件：扩散原子近邻存在空位；扩散原子具有扩散激活能。空位扩散激活能：空位形成能和跳动激活能。
4.3
4.3.1
影响扩散的因素
温度的影响
4.3.2 晶体结构的影响
4.3.3 固溶体类型对扩散的影响
4.3.4 固溶体浓度对扩散的影响
4.3.5 晶体缺陷的影响
4.3.1
温度的影响
温度影响扩散系数:
Q D D0 exp RT
式中:D0为扩散常数(cm2/s)； Q为扩散激活能(J/mol)； R为气体常数(8.31J/mol · K)， T为绝对温度(K) 温度高，原子热振动剧烈，易发生迁移，扩散系数大。
对于非稳态扩散，可根据边
界条件求解扩散微分方程，对于气体进入固体的扩散过程，这个方程的一个特解可用来解决生产中的一些实际问题。
图4-6 气体在固体中的扩散
2、扩散第二定律的应用举例
假定气体A在固体B中进行扩散，随着扩散时间的增加，沿x轴方向任一点的溶质原子浓度也要增加，图 4-6 (b)给出两个时间（t1和t2）的溶质原子浓度分布。如果气体A在固体B中的扩散系数与位置无关，则Fick 第二定律的解为： Cs Cx x erf Cs C0 2 Dt 式中：cs为气体元素在表面的浓度；co为固体的原始浓度；cx为时间t时、距表面x处的元素浓度；x为距表面距离； D为溶质元素的扩散系数；t为时间。
设扩散沿x轴方向进行，且浓度梯度为 dc , 则可表 dx 述为：

扩散——精选推荐

2.1 扩散原理2.1.1 扩散机制（替位、间隙）[1][3]2.1.2 扩散系数[1]2.1.3 结深2.1.4 固溶度2.1.5 横向扩散2.2 扩散模型[3][4][5]2.3 扩散工艺步骤[1][6]2.4 扩散层的测量[4][5]2.5 扩散源[6][1]半导体材料只有通过一定方式进行掺杂形成PN结，才可能成为有功能的器件，掺杂改变了半导体的导电特性。

对于半导体来说，P 型区域是由受主杂质掺杂构成的，硅基器件中常用的受主杂质是III 的硼、铝、镓、铟。

N型施主杂质掺杂构成的，施主杂质一般是V 族的磷、砷和锑。

这些杂质在元素周期表中的位置都与硅邻近，在硅的左右两边(见表 2.1)。

常用的掺杂方式有两种，一种是扩散，另一种是离子注入。

表2.1 硅近邻元素2.1 扩散原理扩散是物质的一个基本性质，原子、分子和离子都会从高浓度向低浓度处进行扩散运动。

一种物质向另一种物质发生扩散运动需要满足两个基本条件：第一有浓度差；第二是提供足够的能量使物质进行扩散。

在半导体制造中，利用高温热能使杂质扩散到半导体衬底中[1]。

2.1.1 扩散机制杂质在硅晶体中的扩撒机制主要有：间隙式扩散和替位式扩散。

存在于晶体间隙的杂质称为间隙式杂质，这种杂质原子大小与硅原子大小差别较大，杂质原子进入硅晶体后，不占据晶格格点的正常位置，而是从一个晶格间隙运动到另一个晶格间隙而扩散前行，这种方式的杂质扩散称为间隙式扩散，镍、铁等重金属元素是此种方式，如图2.1(a)所示。

占据晶格位置的外来原子称为替位式杂质，这种杂质原子大小与硅原子大小差别不大，它沿着硅晶体内晶格空位跳跃前进扩散，杂质原子扩散时占据晶格格点的正常位置，不改变原来硅材料的晶体结构，这种扩散称为替位式扩散，硼、磷、砷等是此种方式，如图2.1(b)所示。

图2.1 杂质在硅晶体中的扩散机构2.1.2 扩散系数扩散系数表示一种物质在另一种物质中扩散运动的速度的大小，用D 表示。

固体材料中的扩散

反应扩散的速率：①由原子在化合物层的扩散速度和②界面生成化合物层的反应速度决定若①<②，则反应速度取决于①，化合物层厚度与实践成抛物线关系:X2=K´t X为化合物速度，t为时间，K´为常数若①>②,则反应速度取决于②，化合物厚度呈线性生长规律：X=Kt 实际上，在反应的初始阶段，化合物层很薄，浓度梯度大，扩散通量大，这时扩散反应的速度取决于化合物反应生成速度，表现为线性关系；随着化合物层厚度的增加，浓度梯度的减小，表现为抛物线关系，两种关系相互依存. 离子晶体中的扩散，影响扩散的缺陷两个主要来源：本征点缺陷和参杂点缺陷本征点缺陷包括肖脱基缺陷和弗兰克耳缺陷：形成过程中要保证任何局部区域电荷平衡肖脱基缺陷：形成一个阳离子空位时，在其附近形成一个阴离子空位，这一对阴、阳离子空位的复合体便是肖脱基缺陷. 弗兰克耳缺陷：当产生一个阳离子空位的时，可在附近形成一个间隙阳离子，这一对离子空位和间隙离子的复合体便是弗兰克耳缺陷. 离子晶体中通常可以允许掺入一些置换型杂质，但其条件是要保持电中性.掺杂相似的阳离子来代替基体的阳离子比较常见.如当一个Ca2+置换NaCl晶体中的一个Na+时，如果相邻的一个Na+是空位就能保持电中性，即一个Ca2+离子置换了两个Na+离子，但只占据其中一个空位，导致形成了阳离子空位. 本征点缺陷引起的扩散与温度的关系类似于金属中的自扩散；由掺杂点缺陷引起的扩散与温度的关系类似于金属中间隙溶质的扩散. 对于掺杂的离子晶体，低温时参杂点缺陷对扩散的作用更显著，随温度升高，本征点缺陷浓度升高，掺杂点缺陷作用程度逐渐下降，即高温时本征点缺陷占优势，低温时掺杂点缺陷占优势.
反应扩散：通过扩散而形成新相的现象，称为反应扩散. 以Fe-N相图为例：发生反应扩散，相区之间之间氮的浓度是突变的，不存在两相区，因为该区域没有扩散驱动力，同理三元系的扩散层中没有三相区，可以有两相区.

晶界扩散,表面扩散,晶格扩散

晶界扩散,表面扩散,晶格扩散一、概述晶体的扩散是指物质在固体中的原子或离子通过空位、晶界或表面跳跃运动而实现的进出过程。

它是固体材料中重要的物质迁移方式，直接影响着材料的物理性质和工程性能。

晶体扩散可分为晶格扩散、晶界扩散和表面扩散。

本文将对这三种扩散进行系统地分析和探讨。

二、晶格扩散1. 晶格扩散的概念晶格扩散是指晶体内部原子或离子在晶体点阵结构中进行跳跃运动，从而造成物质扩散的过程。

其过程涉及到晶体中原子在原子位点、晶格间隙和空位之间的迁移。

2. 晶格扩散的因素晶格扩散的速率受到晶体结构、温度和化学势的影响。

晶格扩散的速率与温度成正比，与化学势成正比，与晶体结构和形态有关。

在同一温度条件下，金属材料中，晶界扩散速率大于陶瓷材料，而陶瓷材料中，离子晶体的晶格扩散速率大于共价晶体。

3. 晶格扩散的应用晶格扩散在材料科学和工程中有着广泛的应用，例如在金属材料的淬火过程中，通过控制晶体内的原子扩散，可以改变金属的物理性质和机械性能，以满足不同的工程需求。

三、晶界扩散1. 晶界扩散的概念晶界扩散是指晶体内部原子或离子沿着晶界进行迁移的过程，这种扩散方式是晶体中最主要的扩散方式之一。

晶界扩散与晶格扩散相比，离子或原子在晶界上的迁移往往速率更快。

2. 晶界扩散的影响晶界扩散对晶体的晶粒长大和再结晶过程有着重要的影响。

在高温下，晶界扩散会导致晶粒的长大和晶界迁移，从而影响材料的塑性变形和力学性能。

在金属材料的热处理过程中，晶界扩散也起着至关重要的作用。

3. 晶界扩散的应用在材料的界面工程中，通过控制晶界扩散，可以改变材料的界面性质，提高材料的界面结合强度和耐磨性。

晶界扩散还广泛应用于半导体材料的制备和微电子器件的制造。

四、表面扩散1. 表面扩散的概念表面扩散是指原子、离子或分子在晶体表面进行迁移的过程。

表面扩散与晶格扩散和晶界扩散相比，具有独特的表面形貌和表面活性，其速率受到表面结构和温度的影响。

2. 表面扩散的影响表面扩散在材料加工、质量控制和薄膜沉积等方面具有重要的影响。

金属学与热处理第八章扩散ppt课件.ppt

场和磁场等。 (二)温度足够高。
固态扩散是依靠原子热激活能进行的过程，必须在足够高的温度才能进行。当温度低于某一温度时，原子被激活的几率很低，扩散几乎不能进行即被“冻结”。C被冻结的温度为100℃ ，Fe被冻结的温度为500℃。
(三)时间足够长。扩散原子在晶体中每跃迁一次最多也只能移动0.3～
不同的金属或合金，其扩散机制是不同的。目前，被大家所公认的扩散机制由如下几种：间隙扩散机制；换位扩散机制；空位扩散机制等。
(一)间隙扩散 1）在间隙固溶体中，溶质原子由一个间隙位置跳到其
相邻的另一间隙位置，即为间隙扩散。
这种方式进行扩散的可能性很大，因为在间隙固溶体中，溶质原子只占据少量间隙位置，即每个间隙原子周围都有较多的间隙位置是空着的，故供其跃迁的位置很多。
在微小体积Adx内的物资积存速率为：
(CAdx) C Adx (2)
t
t
式（1）与式（2）相等，则可得
C Adx J Adx
t
x
即： C J （3）
t
x
将扩散第一定律代入（3）有：
C C
(D ) t x x
（4）
式（4）即为菲克第二定律，如果扩散系数是 D与浓度无关的常数，则式(4)可写为：
0.5nm的距离，经过相当长的时间才能造成物质的宏观定向迁移。
由这一原理人们设计了固溶处理，如：铝合金的固溶处理，不锈钢的固溶处理等。
此外，在热加工刚完成时迅速将金属材料冷却到室温，抑制扩散过程，避免发生静态再结晶，可把动态回复或动态再结晶的组织保留下来，以达到提高金属材料性能的目的。
(四)扩散原子要有固溶。扩散原子在基体金属中必须有一定的固溶度，能够溶入
C t

第12讲晶体中的扩散及其微观机理

+ +
-e
第二讲
+ +
+
F心
ClK+ ClK+ -e K+ ClNa+ Cl-
FA心如果F心的六个最近邻离子中的某一个被另一个不同的碱金属离子取代，就形成FA心。
晶 - 体中 + 的扩散及其 K+ 微观 Cl- 机理
K+
FA心
色心
第四章晶体结构中的缺陷
第四章晶体结构中的缺陷
4.2.1 扩散第一定律稳态扩散在扩散过程中，扩散系统各点的浓度只随距离变化，而不随时间而变化，即C/t=0。
第二讲
晶体中在稳态扩散条件下，通过某处的扩散通量j与的扩该处的浓度梯度成正比，即散 C 及 j D 其 x 微该式称为费克第一定律，或称为扩散第一定律。观机式中D为扩散系数， C/x为扩散粒子的浓度梯度，理
x 2D
2
第二讲
晶体中的扩散及其微观机理色心
是扩散粒子完成一次布朗行程所需时间的平均值。
第晶体中的扩散包括：互扩散和自扩散。四互扩散是指外来杂质原子在晶体中的扩散。章自扩散是指构成晶体的基质原子在晶体中的扩散。晶体结构中的缺陷
第二讲
I EI exp kT
同样，扩散系数随温度的升高而增大，随激活能的减小而增大。
色心
第四章晶体结构中的缺陷
杂质原子的扩散——互扩散
第二讲
晶体中的扩散及其微观机理色心
互扩散的扩散机制与自扩散机制相似，但是由于杂质原子大小等因素的影响，一般互扩散系数比自扩散系数大.

铜和镍扩散机制

铜和镍扩散机制铜和镍是两种常见的金属元素，它们在工业生产中具有广泛的应用。

本文将探讨铜和镍的扩散机制，以及它们在材料科学和工程中的重要性。

一、铜的扩散机制铜是一种良好的导电金属，广泛应用于电子器件、电线电缆等领域。

在材料中，铜的扩散是指铜原子在晶体结构中的迁移和扩散过程。

铜的扩散机制主要包括晶体扩散和界面扩散两种形式。

晶体扩散是指铜原子在晶体内部通过空位、间隙等缺陷进行迁移的过程。

晶体扩散的速率受到温度、晶体结构和缺陷浓度等因素的影响。

晶体扩散的速率通常符合弗克定律，即扩散速率与浓度梯度成正比。

界面扩散是指铜原子在晶界、相界等界面上的迁移过程。

界面扩散的速率受到界面能、晶界角等因素的影响。

界面扩散在材料的相变、晶粒长大等过程中起着重要作用。

二、镍的扩散机制镍是一种具有良好耐腐蚀性和高温稳定性的金属，广泛应用于航空航天、化工等领域。

镍的扩散机制与铜类似，也包括晶体扩散和界面扩散两种形式。

晶体扩散是指镍原子在晶体内部通过空位、间隙等缺陷进行迁移的过程。

晶体扩散的速率受到温度、晶体结构和缺陷浓度等因素的影响。

晶体扩散的速率通常符合弗克定律。

界面扩散是指镍原子在晶界、相界等界面上的迁移过程。

界面扩散的速率受到界面能、晶界角等因素的影响。

界面扩散在材料的相变、晶粒长大等过程中起着重要作用。

三、铜和镍的应用铜和镍在工业生产中具有广泛的应用。

铜的良好导电性使其成为电子器件、电线电缆等领域的重要材料。

而镍的耐腐蚀性和高温稳定性使其在航空航天、化工等领域得到广泛应用。

铜和镍的合金也具有重要的应用价值。

铜镍合金具有良好的弹性和耐腐蚀性，常用于制造弹簧、电池等产品。

总结：铜和镍的扩散机制对于材料科学和工程具有重要意义。

了解铜和镍的扩散机制有助于优化材料的性能和制备工艺。

铜和镍的广泛应用促进了工业的发展，并在各个领域发挥着重要作用。

离子晶体的扩散机制

离子晶体的扩散机制
离子晶体的扩散机制涉及离子在晶格中的运动和相邻晶格间的交换过程。

离子晶体的扩散可由以下机制驱动：
1.空位扩散：晶格中原子或离子的空位（缺陷）会促进离子的扩散。

当一个离子从当前位置向空位迁移时，空位的位置又会由其他离子填充，从而实现了扩散。

2.离子交换：晶体中不同种类的离子可以互相交换位置，从而实现了扩散。

这种机制通常在双离子晶体中很常见，例如在固态离子交换反应中。

3.离子跳跃：离子可以直接跳跃到相邻的空位或替代其他离子的位置，从而实现了扩散。

离子晶体的扩散都受到温度、晶体结构、外部应力等因素的影响。

对于不同种类的离子晶体，扩散的机制和速率都可能有所差异。

元素扩散系数

物质的迁移一般是通过对流和扩散两种方式进行，在气体和液体中物质的迁移形式包括对流和扩散两种。

而在固体中不发生对流，扩散是唯一的方式，其原子或分子由于热运动从一个位置不断迁移到另一个位置。

简而言之，扩散就是物质中原子的微观热运动所引起的宏观迁移的现象。

下面学姐就给大家详细讲解几类扩散机制。

一、分类扩散这个概念分为很多类型的扩散机制，通过对各类扩散进行分类，这样可以清楚的认识到不同扩散类型的区别，更加方便区分和记忆。

（一）根据扩散是否为稳态可分为：扩散第一定律：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面面积的扩散通量J与该截面处的质量浓度梯度呈正比，扩散方向与浓度梯度方向相反。

同时也叫菲克第一定律，描述了一种稳态的扩散，即质量浓度不随时间而变化，公式如下：扩散第二定律：由菲克第一定律导出的非稳态情况，扩散过程中，扩散物质浓度随时间的变化而变化。

沿扩散方向上扩散物质浓度梯度随扩散距离的变化率成正比，其描述的扩散过程为非稳态扩散，基本公式如下，在求解时还需要知晓初始条件以及边界条件：（二）根据是否改变组元的浓度分布可分为：自扩散:原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散，不改变浓度分布，多发生在纯金属或均匀合金中。

互扩散:原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散，会导致浓度分布趋于均匀，主要发生在成分不均匀的合金中。

（三）根据浓度梯度与扩散方向的方向是否相反可分为：下坡扩散:原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散，浓度分布趋于平均，浓度梯度与扩散方向相同。

上坡扩散:原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散，使浓度分布差异更大，扩散方向与浓度方向相反，驱动力是化学位梯度（四）根据是否生成新相可分为：原子扩散:扩散过程中不出现新相，同时本身不发生变化。

反应扩散:在扩散过程中，由于扩散使固溶体的溶质浓度超过固溶体溶质浓度的极限，从而形成新相的过程。

（五）根据扩散的路径的不同可分为：体扩散：原子在晶格内扩散。

晶界扩散：沿晶粒边界扩散。