第八章 扩散

∂C ∂ ∂C = (D ) ∂t ∂x ∂x 如 扩 系 D 浓 C、 离 无 ， 果 散 数 与 度 距 x 关 则 ∂C ∂2C =D 2 ∂t ∂x
三、扩散应用举例
铸锭间的均匀化退火 金属的粘接 钎焊 镀锌
§8-3 影响扩散的因素
温度 键能和晶体结构 固溶体类型 晶体缺陷 化学成分
间隙扩散机制
当间隙原子存在晶体结构中， 当间隙原子存在晶体结构中，可从一个间 隙位置移动到另一个间隙位置。 隙位置移动到另一个间隙位置。 间隙原子尺寸越小，扩散越快。 间隙原子尺寸越小，扩散越快。 由于间隙位置比空位位置多，间隙扩散比 由于间隙位置比空位位置多， 空位扩散更容易发生。 空位扩散更容易发生。
碳的上坡扩散
硅提高了碳的化学位，因而碳从含硅的棒向无硅的棒扩散， 硅提高了碳的化学位，因而碳从含硅的棒向无硅的棒扩散， 以消除化学位梯度。化学位梯度是其扩散的驱动力。 以消除化学位梯度。化学位梯度是其扩散的驱动力。
直径较大的铝原子向 受拉伸的一边扩散， 受拉伸的一边扩散， 铜原子向受压缩的一 边扩散。 边扩散。
空位扩散机制
在自扩散和涉及置换原子的扩散过程中， 在自扩散和涉及置换原子的扩散过程中， 原子可离开其点阵位置，跳入临近的空位， 原子可离开其点阵位置，跳入临近的空位， 这样就会在原来的点阵位置产生一个新的 空位。当扩散继续， 空位。当扩散继续，就产生原子与空位两 个相反的迁移流向，称为空位扩散。 个相反的迁移流向，称为空位扩散。 自扩散和置换原子的扩散程度取决于空位 的数目。 的数目。 温度越高，空位浓度越大， 温度越高，空位浓度越大，金属中原子的 扩散越容易。 扩散越容易。
第八章 扩散
本章重点
扩散的微观机理 扩散的宏观规律 影响扩散的因素
§8-1 概述
一、扩散现象和本质
在气体和液体中的传质过程主要通过对流形成， 在气体和液体中的传质过程主要通过对流形成， 在固体中基本不发生对流， 在固体中基本不发生对流，物质的传输只能靠原 子或粒子的扩散来进行。 子或粒子的扩散来进行。 扩散的本质： 扩散的本质：原子的热运动
dC J = −D dx dC 式 ， 为 散 数 中 D 扩 系 ； 为 积 度 度 体 浓 梯 ； dx 负 表 物 的 散 向 浓 梯 的 向 反 号 示 质 扩 方 与 度 度 方 相 。
二、菲克第二定律
非稳定态扩散：在扩散过程中， 非稳定态扩散：在扩散过程中，各处的浓度不 仅随距离变化，而且还随时间发生变化。 仅随距离变化，而且还随时间发生变化。
应力作用下的上坡扩散
§8-2 扩散定律
一、菲克第一定律
稳定态扩散： 稳定态扩散：单位时间内通过单位垂直截面的扩散物 质的量（扩散通量）J对于各处都相等，即每一时刻从 质的量（扩散通量） 对于各处都相等， 对于各处都相等 左边扩散来多少原子，就向右边扩散走多少原子， 左边扩散来多少原子，就向右边扩散走多少原子，没 有盈亏，浓度不随时间变化。 有盈亏，浓度不随时间变化。
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三、固态金属扩散的条件
扩散要有驱动力： 扩散要有驱动力：化学位梯度 扩散原子要固溶 温度要足够高 时间要足够长
四、固态扩散的分类
根据扩散过程是否发生浓度变化分类 自扩散 互（异）扩散 根据扩散方向是否与浓度梯度的方向相同进行分类 下坡扩散 上坡扩散 根据扩散过程是否出现新相进行分类 原子扩散 反应扩散
柯肯达尔效应
左侧Ni的浓度高于右侧 的浓度 左侧 的浓度高于右侧Cu的浓度，使左侧点阵 的浓度高于右侧 的浓度， 膨胀，最终导致界面向右漂移。 膨胀，最终导致界面向右漂移。
扩散时固态金属中原子的迁移过程
晶体周期场的势能曲线是倾斜的， 晶体周期场的势能曲线是倾斜的，导致原子向右跳动 的几率大于向左跳动的几率。大量原子的无序跃迁， 的几率大于向左跳动的几率。大量原子的无序跃迁， 造成物质的定向传输，即发生扩散。 造成物质的定向传输，即发生扩散。
二、扩散机制
扩散不仅由原子的热运动所控制， 扩散不仅由原子的热运动所控制，还 要受具体的晶体结构所制约， 要受具体的晶体结构所制约，即扩散的机 制随晶体结构的不同而变化。 制随晶体结构的不同而变化。对于固态金 属来说，原子的扩散机制主要有两种： 属来说，原子的扩散机制主要有两种： 空位扩散机制 间隙扩散机制