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材料科学基础重点总结3扩散三材料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。
扩散的本质是原⼦依靠热运动从⼀个位置迁移到另⼀个位置。
是固体中原⼦迁移的唯⼀⽅式。
研究扩散⼀般有两种⽅法：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；（宏观）原⼦理论—扩散过程中原⼦是如何迁移的。
（微观）3.1 扩散的分类1. 根据有⽆浓度变化⾃扩散：原⼦经由⾃⼰元素的晶体点阵⽽迁移的扩散。
(如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。
固态扩散的条件1、温度⾜够⾼；2、时间⾜够长；3、扩散原⼦能固溶；4、具有驱动⼒：5、化学位梯度。
菲克第⼀定律稳态扩散：扩散过程中各处的浓度及浓度梯度不随时间变化（?C/?t=0，?J/?x=0）菲克第⼀定律：在稳态扩散过程中，扩散通量J与浓度梯度成正⽐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/(m2s)或kg/(cm2s)。
D为扩散系数，其单位为m2/s；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从⾼浓度向低浓度扩散的现象，扩散的结果导致浓度梯度的减⼩，使成份趋于均匀。
菲克第⼆定律⾮稳态扩散——各处的浓度和浓度梯度随时间发⽣变化的扩散过程。
（?C/?t≠0, ?J/?x≠0）。
⼤多数扩散过程是⾮稳态扩散过程，某⼀点的浓度是随时间⽽变化的菲克第⼆定律：扩散过程中，扩散物质浓度随时间的变化率，与沿扩散⽅向上物质浓度梯度随扩散距离的变化率成正⽐。
3.2 置换式固溶体中的扩散---互扩散与柯肯达尔效应互扩散——柯肯达尔效应柯肯达尔最先发现互扩散，在α黄铜—铜扩散偶中，⽤钼丝作为标志，785℃下保温不同时间后，钼丝向黄铜内移动，移动量与保温时间的平⽅根成正⽐，Cu-黄铜分界⾯黄铜侧出现宏观疏孔。
稳定扩散 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不稳定扩散 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菲克第一定律在扩散体系中，参与扩散质点满足xC-DJ ∂∂=，即菲克第一定律 菲克第二定律 在扩散体系中，参与扩散质点满足xC D t C22∂=∂∂∂，即菲克第二定律 本征扩散 扩散系统仅受热运动的影响形成的扩散称之为本征扩散非本征扩散 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自扩散 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 互扩散 两种或两种以上的原子或离子同时参与的扩散 扩散系数 扩散系统中，单位浓度梯度下的通量扩散通量 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上坡扩散 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，而不是浓度梯度扩散激活能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柯肯达尔效应 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反应扩散 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短路扩散 固态金属中原子沿表面,晶界,位错等途径的扩散1.扩散机构总结扩散机构扩散方向 扩散激活能 扩散系数迁移方式 空位扩散机构（主要）空位扩散方向的逆方向空位形成能和迁移能之和和空位形成能和迁移能之扩散激活能，大小等于:)22exp()(exp *00Q RTQ D HHD Df+∆-=-=质点从结点位置上迁移到相邻的空位中间隙扩散机构（主要）间隙原子迁移能 )(exp 0RT Q D D -=间隙质点穿过晶格迁移到另一个间隙位置 亚间隙机构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 易位扩散机构两个相邻结点位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)(exp 0RT Q D D -=δ261D Γ=(频率,自由程)xC -D J ∂∂=(适用于稳定扩散和非稳定扩散)x C D t C 22∂=∂∂∂（不稳定扩散） dxdc -DA JA dt dm == Dt K x =(实验测得的浓度已知) DtA t x x4),(lnI 2-=（A ：图像的截距，Dt41-为斜率；）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①扩散质在晶体表面浓度恒定情况：)2(),(C 0Dtx erfc t x C =②定量扩散质由晶体表面向内部扩散（示踪扩散法原理）：)4exp(2),(C 221)(DtM t x xDt -=π5.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T1-ln D r 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）)ln ln 1)((D 211221~γγ∂∂++=D N D N①(γγ21ln ln 1∂∂+)>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②(γγ21ln ln 1∂∂+)<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①温度:影响扩散激活能和改变物质结构 ②杂质 ③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。
材料元素扩散机制
材料元素扩散机制是指在固体材料中，原子或离子在晶格间或晶界上进行迁移的过程。
材料元素的扩散可以通过不同机制实现，主要有以下几种：
1. 空位扩散：材料晶格中出现空位（缺陷），空位会成为元素迁移的驱动力。
空位扩散的速度受到空位浓度、空位迁移能障等因素的影响。
2. 间隙扩散：元素通过固体晶格中的间隙空隙进行迁移。
这种扩散机制适用于原子尺寸小的元素，如氢、碳等。
3. 扩散势垒：元素扩散需要克服位错和晶界等阻力，需要克服一定的扩散势垒。
扩散势垒的大小与材料的结构和原子尺寸有关，低温下扩散势垒较高，导致扩散速率较慢。
4. 拡散路径：扩散路径是元素扩散过程中的通道，包括晶格间、晶界、孔隙、管道等。
扩散路径对扩散速率和形貌的影响很大，一些扩散路径的阻挠会限制元素迁移。
5. 形核扩散：形核扩散指的是元素在晶格缺陷附近发生形核，形成点状缺陷和微颗粒。
形核扩散可以通过扩散激活能的降低来促进扩散速度。
通过研究和理解材料元素的扩散机制，可以为材料的合理设计和加工工艺的优化提供指导，同时也有助于解析材料中一些微观性质和现象的本质和原因。
一、实验目的1. 了解材料扩散的基本原理和影响因素。
2. 掌握材料扩散实验的操作方法。
3. 通过实验观察材料扩散现象，分析影响扩散速率的因素。
二、实验原理扩散是指物质从高浓度区域向低浓度区域自发地迁移的过程。
材料扩散实验中，常用不同材料之间的扩散来研究扩散现象。
本实验采用不同浓度的NaCl溶液作为扩散介质，观察不同材料在其中的扩散过程。
扩散速率受以下因素影响：1. 温度：温度越高，分子运动越剧烈，扩散速率越快。
2. 扩散物质的浓度梯度：浓度梯度越大，扩散速率越快。
3. 扩散物质的性质：扩散物质的分子大小、形状、极性等性质会影响扩散速率。
4. 扩散介质的性质：扩散介质的粘度、密度等性质会影响扩散速率。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：铜片、铝片、银片、NaCl溶液（不同浓度）、滤纸、滴管、剪刀、尺子等。
2. 实验仪器：恒温箱、电子天平、显微镜等。
四、实验步骤1. 准备不同浓度的NaCl溶液，将其倒入培养皿中。
2. 将铜片、铝片、银片分别剪成相同大小的圆形，并用滴管在圆片中心滴加少量NaCl溶液。
3. 将圆片放入恒温箱中，设定温度为60℃，保持恒温。
4. 定时取出圆片，用显微镜观察圆片表面的NaCl溶液扩散情况，并记录数据。
5. 重复实验，分别观察不同温度、不同浓度NaCl溶液对扩散速率的影响。
五、实验结果与分析1. 观察到，随着时间推移，圆片表面的NaCl溶液逐渐扩散到整个圆片。
2. 在相同条件下，温度越高，NaCl溶液扩散速率越快。
3. 在相同条件下，NaCl溶液浓度越高，扩散速率越快。
4. 在相同条件下，铜片、铝片、银片表面的NaCl溶液扩散速率依次递减。
六、实验结论1. 材料扩散实验表明，温度、浓度、扩散物质性质、扩散介质性质等因素都会影响扩散速率。
2. 在本实验条件下，NaCl溶液的扩散速率随着温度和浓度的升高而加快。
3. 铜片、铝片、银片表面的NaCl溶液扩散速率依次递减，说明不同材料的扩散性质存在差异。
材料科学基础第 7 章7.2.1 扩散系数与扩散推动力一扩散系数的物理意义二扩散过程的推动力S4S2S1 S3S n-1S n R nA（始点）扩散粒子在t时间内经n次无序跃迁后的净位移示意图 假设：①原子无序地向任意方向跃迁，②每次跃迁和前一次跃迁无关，则扩散原子经n次跃迁后净位移Rn就相当于左图中各跃迁S1、S2、S3…的矢量和。
有缘学习更多驾卫星ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）若各个跃迁矢量相等而方向是无序的，即：则上式中第二项为零，因此：参考平面平均浓度CI IINN平均浓度R n R n 设沿x方向存在浓度梯度①在参考平面两侧各取宽度为R截面积为1m2的两个区域：n，②设Ⅰ区单位容积中平均粒子数为C，则总粒子数目为RCn③如果粒子同时沿三个坐标轴方向均匀扩散，则沿x、y、z各个方向分别为在时间t内，从Ⅰ区通过参考平面跃迁的粒子数：参考平面平均浓度平均浓度自Ⅱ区反向通过参考平面跃迁的粒子数：CI IINNR n R n故单位时间、单位截面积上的净扩散粒子数为：为：与菲克第一定律比较，得到扩散系数Dr式中，——单位时间内原子跃迁次数它与扩散机制、原子跃迁到邻近空位的跃迁频率，以及和原子相邻的可供跃迁的结点数有关。
扩散系数的物理意义上述推导过程中假设系统不存在定向推动力，即粒子不是沿一定取向跃迁而是无序的游动扩散过程，每一次跃迁都和先前一次无关，这种扩散称为无序游动扩散系数，晶体中的空位扩散符合这种条件 。
系数Dr在同一系统中对某个原子扩散来说，须考虑一个相关因子f，即有此扩散系数D称为自扩散系数，对于面心立方结构f=0.78扩散过程的推动力扩散体系的化学位梯度以化学位梯度的概念可建立扩散系数的热力学一般关系：扩散系数的热力学因子对于理想混合体系，活度系数γi =1，此时D i =D i ﹡=RTB i ，通常称D i ﹡为自扩散系数，D i 为本征扩散系数。
对于非理想混合体系，存在以下两种情况：1.当 ，此时D i ＞0，称为正常扩散，即物质流将从高浓度处流向低浓度处，扩散的结果使溶质趋于均匀化。
材料扩散的名词解释材料扩散是指物质中原子、分子或离子之间的无序热运动，导致它们从高浓度区域向低浓度区域的自发性传播现象。
这种现象在自然界和科学研究中普遍存在，对于探索材料科学的基本规律以及应用于工程技术领域具有重要意义。
以下将从扩散现象的基本原理、应用领域以及研究方法等方面进行探讨。
在理解材料扩散的过程中，必须先了解扩散现象的基本原理及其数学描述。
扩散现象主要由扩散系数和浓度梯度驱动力所决定。
扩散系数是度量扩散能力的物理常数，与材料的性质、温度和压力等相关。
而浓度梯度驱动力则是指物质浓度之间的差异，越大的驱动力意味着更高的扩散速率。
材料扩散在各个领域都有广泛的应用。
一方面，在材料制备方面，扩散被用于制备复杂的合金材料、薄膜和纳米结构材料等。
通过控制材料扩散过程中的参数，可以调控材料的成分和微观结构，实现特定性能的设计和优化。
另一方面，在工程领域，扩散被广泛应用于表面处理、材料改性、热处理和电子器件制造等方面。
例如，扩散用于改善材料的耐腐蚀性能、增强材料的耐热性、提高电子器件的导电性能等。
对于材料中的扩散行为进行研究和分析，需要采用一系列的实验方法和数学模型。
实验方面，常用的技术包括微观表征手段（如电子显微镜、原子力显微镜等）和宏观性能测试（如扩散层析法、电化学测试等）。
通过这些实验手段的组合运用，可以揭示扩散现象的本质和规律。
同时，建立数学模型是研究材料扩散的重要方法之一。
通过建立扩散方程和数值解析方法，可以模拟和预测材料中的扩散行为，为材料制备和性能优化提供理论指导。
除了理论研究和实验探索，材料扩散也面临一些挑战和问题。
例如，在纳米尺度下的材料扩散研究中，表面效应和量子效应的影响变得极为重要，需要开发新的实验技术和理论模型进行深入研究。
此外，在材料的工程应用中，需要解决扩散过程中的控制问题，确保目标元素的扩散深度和分布均匀性。
这些挑战使得材料扩散研究变得更加复杂和多样化。
综上所述，材料扩散作为一种重要的传输现象，广泛应用于材料制备和工程领域。
