扩散定律及应用

JA与DH 、A、k 成正比 与b成反比 随 P 内 增大
(3)减少逸失措施?? ①形状：A↓。使用球形容器，以使容积 一定条件下，A达最小 ②选材：利用DH、k值小的金属，如Dγ<Dα
③尺寸：b↑
流。
一、菲克第一定律
1855年，菲克首先总结提出了在各向同性介质中扩散 过程的定量关系 —— 扩散定律（也称菲克定律）。
数学表达式为：
J为扩散通量。即：单位时间通过垂直于扩散方向的单位面积的扩 散物质量，单位是
X为距离扩散源的距离
为溶质原子的浓度梯度
D称为扩散系数，单位
负号表示物质总是从浓度高处向浓度低的方向迁移
理、烧结、氧化、蠕变等等。
原子、分子
平衡位置热运动
能量起伏
克服势垒
跃迁到新位置 原子迁移
单个原子的运动
无规律 普遍存在
大量原子的迁移
有规律 有外力的作用
扩散：由构成物质的微粒(离子、原子、分子)的热运动而产生的 物质迁移现象称为扩散。扩散的宏观表现是物质的定向输送。
扩散的分类
（1）根据有无浓度变化
扩
散
扩散的概述 菲克第一定律及应用
概
扩散现象：

述
在房间的某处打开一瓶香水，慢慢在其他地方可以闻到香味. 在清水中滴入一滴墨水，在静止的状态下可以看到它慢慢的扩散。

在固体材料中也存在扩散，并且它是固体中物质传输的唯一方式。
扩散与材料生产和使用中的物理过程有密切关系，例如：凝固、偏 析、均匀化退火、冷变形后的回复和再结晶、固态相变、化学热处
（4）按原子的扩散方向分：
体扩散：在晶粒内部进行的扩散
短路扩散：表面扩散、晶界扩散、位错扩散等 短路扩散的扩散速度比体扩散要快得多
菲克第一定律
考察一个最简单的单向扩散实验。用 两根含碳量分数分别为C1和C2（ C1 < C2 ）的碳钢长棒对焊起来，形成一个 扩散偶。将其加热至930℃保温并随时 检查碳原子浓度分布情况，结果如图 5 — 1所示。随时间延长，扩散偶界面 两侧的碳原子浓度差及浓度梯度不断 减小，碳原子浓度梯度逐渐趋于均匀。 这说明在扩散偶中存在碳原子由浓度 高的一侧向浓度低的一侧迁移的扩散
。
C内 = k
在稳态下
P 内 P 外
A
b
P外
C外 = k
J = -D
dC Dx Jdx = -DdC
DH
P内
Jdx
0ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
b
C外
DdC DH k P 外 内 P b
C内
J DH
C外 -C内 b
单位面积由扩散造成的逸失量（逸失速度）
JA DH Ak
(2) 上式表明
P 外 内 P b
三、扩散方程的应用
1、稳态扩散
•一厚度为d的薄板的扩散
板内任一处的浓度??
•贮氢容器 氢在金属中扩散极快，当温度较高、压强较大 时，用金属容器储存H2极易渗漏。 (1)列出稳态下金属容器中的H2通过器壁扩散的 第一方程
(2)说明方程的含义
(3)提出减少氢扩散逸失的措施
(1) 令容器表面面积为A，壁厚为b，内外压强为P内 ，P外 氢在金属容器中的扩散系数为DH。 氢在金属中溶解度与其压强的平方根成正比，即
自扩散：原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散。 (纯金属或固溶体的晶粒长大)(无浓度变化） 互扩散：原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散。 （有浓度变化）
（2）根据扩散方向
下坡扩散：原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。
上坡扩散：原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散。
（3）根据是否出现新相
原子扩散：扩散过程中不出现新相。 反应扩散：有新相形成的扩散过程。