固体金属的扩散

影响金属材料固态扩散的因素与控制摘要：由扩散第一定律可知，在浓度梯度一定时，原子扩散仅取决于扩散系数D。

对于典型的原子扩散过程，D符合Arrhenius公式，。

因此，D仅取决于D0、Q和T，凡是能改变这三个参数的因素都将影响扩散过程。

关键词：温度，因素，扩散，组元，系数一，温度由扩散系数表达式看出，温度越高，原子动能越大，扩散系数呈指数增加。

以C 在γ-Fe中扩散为例，已知D0=2.0×10-5m2/s，Q=140×103J/mol，计算出927℃和1027℃时C的扩散系数分别为1.76×10-11m2/s，5.15×10-11m2/s。

温度升高100℃，扩散系数增加三倍多。

这说明对于在高温下发生的与扩散有关的过程，温度是最重要的影响因素。

应该注意，有些材料在不同温度范围内的扩散机制可能不同，那么每种机制对应的D和Q不同，D便不同。

在这种情况下，～并不是一条直线，而是由若干条直线组成的折线。

例如，许多卤化物和氧化物等离子化合物的扩散系数在某一温度会发生突变，反映了在这一温度以上和以下受到两种不同的机制控制。

图3.15表示出Na+离子在NaCl晶体中扩散系数的实验值。

其中，高温区发生的是以点缺陷扩散为主的本征扩散，低温区发生的是以夹杂产生或控制的缺陷扩散为主的非本征扩散。

二，成分1，组元性质原子在晶体结构中跳动时必须要挣脱其周围原子对它的束缚才能实现跃迁，这就要部分地破坏原子结合键，因此扩散激活能Q和扩散系数D必然与表征原子结合键大小的宏观或者微观参量有关。

无论是在纯金属还是在合金中，原子结合键越弱，Q越小，D越大。

合金中的情况也一样。

考虑A、B组成的二元合金，若B组元的加入能使合金的熔点降低，则合金的互扩散系数增加；反之，若能使合金的熔点升高，则合金的互扩散系数减小，在微观参量上，凡是能使固溶体溶解度减小的因素，都会降低溶质原子的扩散激活能，扩散系数增大。

固体在⾦属中的扩散第三章固体⾦属中的扩散物质的迁移可通过对流可扩散两种⽅式进⾏。

在⽓体和液体中物质的迁移⼀般是通过对流和扩散来实现的。

但在固体中不发⽣对流，扩散是唯⼀的物质迁移⽅式，其原⼦或分⼦由于热运动不断地从⼀个位置迁移到另⼀个位置。

扩散是固体材料中的⼀个重要现象，诸如⾦属铸件的凝固及均匀化退⽕，冷变形⾦属的回复和再结晶，陶瓷或粉末冶⾦的烧结，材料的固态相变，⾼温蠕变，以及各种表⾯处理等等，都与扩散密切相关。

要深⼊地了解和控制这些过程，就必须先掌握有关扩散的基本规律。

研究扩散⼀般有两种⽅法：①表象理论——根据所测量的参数描述物质传输的速率和数量等；②原⼦理论——扩散过程中原⼦时如何迁移的。

本章主要讨论固体材料中扩散的⼀般规律、扩散的影响因素和扩散机制等内容。

固体材料设计⾦属、陶瓷和⾼分⼦化合物三类；⾦属中的原⼦结合是以⾦属键⽅式；陶瓷中的原⼦结合主要是以离⼦键⽅式为主；⽽⾼分⼦化合物中的原⼦结合⽅式是共价键或氢键结合，并形成长链结构，这就导致了三种类型固体中原⼦或分⼦扩散的⽅式不同，描述它们各⾃运动⽅式的特征也是本章的主要⽬的之⼀。

3.1扩散定律及其应⽤3.1.1菲克第⼀定律当固体中存在着成分差异时，原⼦将从浓度⾼处向浓度低处扩散。

如何描述原⼦的迁移速率，阿道夫?菲克(Adolf Fick）对此进⾏了研究，并在1855年久得出：扩散中原⼦的通量与质量浓度梯度成正⽐，即该⽅程称为菲克第⼀定律或扩散第⼀定律。

其中，J为扩散通量，表⽰单位时间内通过垂直于扩散⽅向x的单位⾯积的扩散物质质量，其单位为kg⁄(㎡·s)；D为扩散系数，其单位为㎡⁄s；⽽ρ是扩散物质的质量浓度，其单位为kg⁄m3。

式中的负号表⽰物质的扩散⽅向与质量浓度梯度dρ⁄dx⽅向相反，即表⽰物质从⾼的质量浓度区向低的质量浓度区⽅向迁移。

菲克第⼀定律描述了⼀种稳态扩散，即质量浓度不随时间⽽变化。

史密斯(R.P.Smith)在1953年发表了运⽤菲克第⼀定律测定碳在у-Fe中的扩散系数的论⽂，他将⼀个半径为r，长度为l的纯铁空⼼圆筒置于1000℃⾼温中渗碳，即筒内和筒外分别渗碳和脱碳⽓氛，经过⼀定时间后，筒壁内各点的浓度不再随时间⾯变化，满⾜稳态扩散的条件，此时，单位时间内通过管壁的碳量q⁄t为常数。

固体扩散的例子
固体扩散是指固体物质在无外力作用下，自发地在空间中向各个方向传播的过程。

下面列举了十个关于固体扩散的例子。

1. 金属材料的热扩散：当金属材料受热时，其原子会因热运动增加而扩散，导致金属体积的扩大。

2. 颜料在油画上的扩散：在油画制作过程中，颜料会通过画布的纤维间隙扩散，使颜色逐渐蔓延，形成画面的层次感。

3. 水中溶解氧的扩散：氧气分子会在水中自由扩散，使水体中的溶解氧浓度均匀分布。

4. 糖在茶水中的扩散：当向茶水中加入糖时，糖分子会自发地扩散到茶水中，使茶水味道变甜。

5. 香水在空气中的扩散：喷洒香水后，香水分子会自发地扩散到周围的空气中，形成香气。

6. 银饰品的氧化：银饰品长时间暴露在空气中，银表面的金属原子会与空气中的氧气反应，形成氧化银层，使银饰品变黑。

7. 蓝莓果实的颜色扩散：蓝莓果实中的花青素会在果实成熟过程中自发扩散到果肉中，使果肉呈现出深蓝色。

8. 针灸的效应：针灸时，针头插入皮肤后，刺激会沿着经络扩散，产生疗效。

9. 火焰的扩散：火焰是燃烧过程中火焰前进的结果，火焰中的燃烧物质会自发地向四周扩散，形成火焰形状。

10. 涂料的干燥：涂料在涂刷在物体表面后，溶剂会自发地扩散到空气中，使涂料快速干燥。

以上是关于固体扩散的十个例子。

固体扩散是一种普遍存在于我们生活和自然界中的现象，它在材料科学、化学、生物学等领域具有重要的应用价值。

通过了解和研究固体扩散的机制和特性，可以帮助我们更好地理解和利用这一现象。

第六章固体中的扩散第六章固体中的扩散扩散是物质中原⼦（分⼦或离⼦）的迁移现象，是物质传输的⼀种⽅式。

⽓态和液态的扩散是⼈们在⽣活中熟知的现象，例如在花园中漫步，会感到扑⿐花⾹；⼜如，在⼀杯净⽔中滴⼊⼀滴墨汁，不久杯中原本清亮的⽔就会变得墨⿊。

这种⽓味和颜⾊的均匀化过程，不是由于物质的搅动或对流造成的，⽽是由于物质粒⼦（分⼦、原⼦或离⼦）的扩散造成的。

扩散会造成物质的迁移，会使浓度均匀化，⽽且温度越⾼，扩散进⾏得越快。

固态扩散不像⽓态和液态扩散那样直观和明显，速度也⾮常慢，但是固态⾦属中确实同样存在着扩散现象。

许多⾦属加⼯过程都与固态扩散有关，例如，钢的化学热处理，⾼熔点⾦属的扩散焊接等。

因此，研究固体扩散具有重要的意义。

6-1 扩散定律扩散定律是由A.Fick 提出的，故⼜称菲克（Fick ）定律，包括Fick 第⼀定律和Fick 第⼆定律。

第⼀定律⽤于稳态扩散，即扩散过程中各处的浓度及浓度梯度不随时间变化；第⼆定律⽤于⾮稳态扩散，即扩散过程中，各处的浓度和浓度梯度随时间发⽣变化。

⼀、Fick 第⼀定律Fick 第⼀定律是A.Fick 于1855年通过实验导出的。

Fick 第⼀定律指出，在稳态扩散过程中，扩散流量J 与浓度梯度dxdc 成正⽐： dxdc D J ?= (2.1) 式中，D 称为扩散系数，是描述扩散速度的重要物理量，它表⽰单位浓度梯度条件下，单位时间单位截⾯上通过的物质流量，D 的单位是cm 2/s 。

式中的负号表⽰物质沿着浓度降低的⽅向扩散。

前⾯已经提到，Fick 第⼀定律仅适⽤于稳态扩散，但实际上稳态扩散的情况是很少的，⼤部分属于⾮稳态扩散。

这就要应⽤Fick 第⼆定律。

⼆、Fick 第⼆定律Fick 第⼆定律是由第⼀定律推导出来的。

在⾮稳态扩散过程中，若D 与浓度⽆关，则Fick 第⼆定律的表达式为：22x c D c ??=??τ (2.2)式中的τ为时间。

这个⽅程不能直接应⽤，必须结合具体的初始条件和边界条件，才能求出积分解，以便应⽤。

固体扩散的例子固体扩散是指固体物质在固体中的扩散过程。

固体扩散广泛应用于材料科学、地球科学、化学工程等领域。

下面将介绍10个不同领域中的固体扩散的例子。

1. 金属中的晶格扩散：金属中的原子通过晶格间的空位进行扩散。

例如，钢中的碳原子可以通过晶格间的空位扩散到其他位置，从而改变钢的力学性能。

2. 半导体材料中的掺杂扩散：在半导体材料中，通过掺入不同的杂质原子，可以改变半导体的导电性质。

掺杂原子通过固体扩散从表面或界面进入半导体材料内部。

3. 土壤中的养分扩散：在土壤中，养分元素如氮、磷、钾等通过固体扩散从土壤颗粒表面向植物根系扩散。

这种扩散过程对植物的生长和发育起着重要作用。

4. 岩石中的矿物扩散：在岩石中，不同矿物之间可以通过固体扩散交换元素。

这种扩散过程可以改变岩石的矿物组成和性质。

5. 电池中的离子扩散：在电池中，正负极材料中的离子通过固体扩散来实现电荷的传递。

例如，锂离子电池中的锂离子通过正负极材料之间的固体扩散来完成电荷的传输。

6. 金属合金中的元素扩散：在金属合金中，不同金属元素之间可以通过固体扩散来实现元素的交换。

这种扩散过程可以改变合金的成分和性能。

7. 热传导中的固体扩散：在固体中，热量可以通过固体扩散传导到其他位置。

这种扩散过程对热传导的效率和速度有重要影响。

8. 塑料中的添加剂扩散：在塑料制品中，添加剂如阻燃剂、增塑剂等可以通过固体扩散来实现与塑料基质的混合。

这种扩散过程可以改变塑料的性能和功能。

9. 石墨中的气体扩散：在石墨材料中，气体分子可以通过固体扩散进入石墨结构内部。

这种扩散过程对石墨的气体吸附性能和传导性能有重要影响。

10. 陶瓷材料中的氧化物扩散：在陶瓷材料中，氧化物可以通过固体扩散在材料内部进行氧化还原反应。

这种扩散过程对陶瓷材料的结构和性能具有重要影响。

通过上述例子可以看出，固体扩散在不同领域中都有重要应用。

固体扩散的研究可以帮助人们更好地理解物质的传输过程，并且为材料设计和工程应用提供了理论基础。

第五章：金属及合金中的扩散
1．菲克第一定律：在扩散过程中，物质的扩散流量，即单位时间内通过单位横截面积所输送的物质量是和这个物质横跨这一截面的浓度梯度成正比的。

2．菲克第二定律：设在扩散介质内，垂直于扩散方向横截出一个元体积，根据进入这个体积的物质量减去流出这个体积的物质量必然等于积存在这个体积内的物质量。

在扩散经过一段时间后，再进行计算，可以得出，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。

根据以上可以建立一个关于扩散的偏微分方程式。

3．扩散方程应用举例：
半无限长扩散偶的扩散方程解
渗碳过程中的扩散方程应用
扩散方程在均匀化扩散退火过程的应用
4．扩散机理。

5．影响扩散的因数
温度与扩散系数的关系——温度与扩散系数成指数关系
界面对扩散的影响——表面的扩散系数最大，晶内的扩散系数最小，晶界的扩散系数介于二者之间
其它结构缺陷对扩散的影响——位错与空位的作用
化学成分对扩散的影响——一般来说，合金元素与溶剂的差别越大，它在溶剂中的扩散速度也越大。

扩散的各向异性——扩散在各向异性的晶体中，由于各个方向上原子的排列不同，原子跳动的几乎和频率就会有差异，这最终会反应在各个方向上扩散速度的差异上，称为扩散的各向异性。