图中容器的中间有一厚度为⊿x的金属薄膜，两侧气体的压力分别为p1和p2，p1>p2，并保持不变。金属薄膜左侧表面的气体溶解度为C1，右侧表面为C2。气体在金属中的饱和溶解度与气体的压力有关，对于双原子气体(如O2、N2)C=sp1/2，s是一个比例常数，等于单位压强下气体在金属中的溶解度。这样C1>C2，在金属薄膜中存在浓度梯度。如果扩散系数D是常数，经过一段时间后，扩散达到恒稳状态，扩散气体的流量是一常数。根据菲克第一定律：
p1、p2和J可以精确测量；s可以通过其他方法测定。这样根据上式即可测定气体的原子在金属中的扩散系数D。
将组元相同而浓度分别为C1、C2的固溶体长棒焊接在一起，构成一个扩散偶，焊接面与扩散方向垂直，并定为坐标的原点(x=0)。将扩散偶加热到某一温度进行扩散后，在焊接面附近的浓度发生显著的变化，而远离焊接面的棒两端，由于棒足够长仍保持原来的浓度不变。因为加热扩散过程中，焊接面附近的浓度在不断的变化，所以dC/dt≠0,是一个非稳态扩散问题，可以应用扩散第二方程求解焊接面附近的浓度变化C=f(x,t)。
假定扩散系数D不随浓度的变化而改变。求解上述问题，可以引出一个新的变量β=x/2(Dt)1/2,利用高斯误差函数ψ求解扩散第二方程式。高斯误差函数ψ的表达式是：
初始条件：t=0时 x>0 C=C1
X<0 C=C2 边界条件; t>0时
x
+无穷大 C=C1
x -无穷大 C=C2
则菲克扩散第二方程的解是：
前面讨论的均属于在单相中的扩散，在扩散过程中没有新相形成。而在许多合金系中会有中间相存在，在扩散过程中也可能出现中间相，这种扩散包括两个过程，一是与前述相同的扩散过程；另一是在相界面处溶质原子达到一定浓度后，发生化学反应产生新相的过程，产生这种现象的扩散过程称为反应扩散或多相扩散。
在二元系的扩散层中，不可能出现两相共存区；在三元系的扩散层中，不可能出现三 相共存区，但可以有两相共存区。
金属固态相变
一、概论
1.基本概念
相：金属或合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。
固态相变：固态金属或合金中固态相之间的转变。
2.分类：
（1）转变条件：
平衡转变：同素异构转变、多形性转变、共析转变、包析转变、平衡脱溶沉淀、
调幅分解、有序化转变。 非平衡转变：伪共析转变、马氏体转变、贝氏体转变、不平衡脱溶沉淀、块状转
变。
（2）原子迁移特征：扩散型相变、无扩散型相变。
（3）热力学：一级相变、二级相变。
（4）相变方式：形核-长大型相变、无核相变。
3.特点
（1）根据新相和母相原子在相界面上的晶体学匹配程度，形成具有晶体学特征
的相界面。
基本条件：两相晶体结构相同，点阵常数相等或者两相晶体结构和点阵常数有差异，但在某一组特定的晶体学平面可使两相原子之间产生完全匹配。
共格晶面：界面上原子所占位置恰好是两相点阵的共有结点位置，两相在界面上
的原子可以一对一地相互匹配。δ<0.05。第一类共格（正应变），第二类共格（切
应变）。界面能最小，应变能最大。
半共格晶面：在界面上两相原子部分保持匹配。0.05
系也不能维持。δ>0.25。界面能最大，应变能最小。
错配度：两相界面上原子间距的相对差值。δ=Δa/a
（2）弹性应变能和界面能一起成为相变阻力。
弹性应变能： ①共格应变能：固态相变时新相与母相界面上的原子由于要强制地实行匹配，以
建立共格或半共格联系，在界面附近区域将产生应变能。（共格最大，半共格次
之，非共格为0。）。
②比体积差应变能：由于新相和母相的比体积不同，新相形成时的体积变化将受
到周围母相的约束而产生的弹性应变能。（圆盘状最小，针状次之，球状最大。）。 界面能：
①界面上原子排列的不规则性造成能量的增加。
②新旧两相化学成分的改变引起的化学能改变。
（3）原子的迁移率低。10-12-10-11cm·s-1。
（4）晶体缺陷成为固态相变非均匀形核的形核位置。（位错，空位，晶界，亚晶界） （5）先形成亚稳的过渡相，再形成稳定的平衡相。
第一章 金属固态相变的基本规律
1.固态相变：指在金属陶瓷等固态材料中，当温度或压力改变时，内部组织或结构发生变化，即由一种相状态转变为另一种相状态。
2.平衡转变：在极为缓慢的加热或者冷却条件下形成符合状态图的平衡组织的相得转变。
3.非平衡转变：在非平衡加热或冷却的条件喜爱，平衡转变受到抑制，将发生平衡图上不能反映的转变类型，获得不平衡组织或平稳状态的组织。
4.纯金属的同素异构转变：纯金属在温度压力改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
5.多形性转变：固溶体的同素异构转变。
6.共析转变：冷却时，固溶体同时析出分解为两个不同成分和结构的相的固态相变。
7.包析转变：冷却时，由俩个固相合并转变为一个固相的固态相变过程。
8.钢种的马氏体相变：将A以较大的冷却速度过冷到低温区，替代原子难以扩散，则A以无扩散方式发生转变，即在Ms点以下进行的马氏体转变，即称为马氏体转变。
9.平衡脱溶：在高温相中固溶了一定量合金元素，当温度降低时，溶解度下降，在缓慢冷却的条件下，过饱和固溶体将析出新相的过程。
10.非平衡脱溶：合金固溶体在高温下溶入了较多的合金元素，在快速冷却条件下，固溶体中来不及析出新相，一直冷却到较低温度下，得到过饱和固溶体的过程。
11.按原子迁移特征分为：（1）扩散型相变：原子的迁移造成原有原子的邻居关系的破坏。
①界面控制扩散型相变②体扩散控制扩散型相变；（2）原子的迁移没有破坏原有原子的邻居关系，原子位移不超过原子间距。
12.按热力学分：（1）一级相变：在相变温度下，两相得自由焓及化学位均相等，但是化学位一级偏导数不等；（2）二级相变：相变时，化学位的一级偏导数相等，但是二级偏导数不等。
13.相变的驱动力和阻力：
相变过程 驱动力 阻力 热力学条件
相结晶成固相 △G相变=G固-G液 新相表面能△G表 驱动力>阻力
固态相变 △G相变=G新-G旧 △G界面+△G畸变
金属固态相变原理
金属固态相变原理是指金属在一定条件下从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象。金属固态相变是金属材料性质变化的根本原因，对于金属材料的微结构和力学性能具有重要影响。
金属固态相变通常发生在固态下的高温和高压条件下。当金属的温度或压力发生变化，原子间的相互作用力也会发生变化，从而引起晶体结构的转变。金属固态相变的过程中，原子重新排列形成新的晶体结构，相应地，金属材料的物理性质和力学性能也会发生改变。
金属固态相变的原理是基于金属的晶体结构和原子间的排列方式。金属材料的晶体结构可以分为多种不同的形态，包括体心立方结构、面心立方结构、六方最密堆积结构等。不同的晶体结构具有不同的密堆积方式和原子排列方式，决定了金属材料的力学性能和物理性质。
金属固态相变的原理还涉及到金属的晶格畸变和原子扩散。晶格畸变是指金属晶体结构在相变过程中的形变和畸变现象，它可以影响金属材料的晶体结构稳定性和力学性能。原子扩散是指金属内部原子的迁移和重新排列的过程，是金属固态相变发生的基础。
总之，金属固态相变原理是基于金属材料的晶体结构和原子间的相互作用力，通过改变材料的温度、压力和其他外界条件，使金属发生晶体结构的转变，进而影响金属材料的物理性质和力学性能。这一原理对于金属材料的研究和应用具有重要的意义。
