晶态固体中的原子扩散

固体扩散机制及扩散动力学方程固体扩散是指在固体材料中，粒子（原子、离子、空位等）在热激活作用下从高浓度区域向低浓度区域的传输过程。

固体扩散在材料科学和工程中发挥着重要的作用，影响着材料的性能和性质。

理解固体扩散机制及其动力学方程对于材料设计和加工具有重要意义。

1.空隙扩散：在晶格中有些原子或离子没有封闭的位置可供它们弹性地占据，这些位置称为空位。

空位可以由基体材料的内在缺陷或外界因素引起。

在空位存在的情况下，空位与其他影响物体密度和形状的实际物体存在着扩散。

空位扩散在晶体材料中占有重要地位。

2.晶格扩散：晶格扩散是通过晶格的结构缺陷进行的，它是指固体中离子或原子在晶体结构中通过晶格活动作用的扩散。

晶格扩散主要发生在晶体内部，在晶体中原子或离子通过原子间的活动通过跳跃方式迁移。

3.界面扩散：界面扩散发生在两个或多个固体或固体与气体等介质相接触的界面部分。

在界面扩散中，因为两个相之间存在差异，会引起扩散过程的变化。

界面扩散可以通过晶界、晶体和涂层等实现。

固体扩散可以使用弗里克方程（Fick's Law）来描述。

弗里克方程是描述固体扩散物质流动的微分方程，它建立了扩散通量（J）与浓度梯度（∇C）之间的关系。

在一维情况下，弗里克第一定律可以表示为：J = -D(dC/dx)其中，J为扩散通量，单位是mol/(cm²s)，表示扩散物质单位面积的通量；D为扩散系数，单位是cm²/s，表示物质在单位时间和单位面积上通过的量；dC/dx为浓度梯度，单位为mol/cm³。

在二维或三维情况下，弗里克第二定律可以表示为：∂C/∂t=D(∂²C/∂x²+∂²C/∂y²+∂²C/∂z²)其中，∂C/∂t为浓度变化率，单位是mol/cm³s；∂²C/∂x²，∂²C/∂y²和∂²C/∂z²为浓度在三个坐标方向上的曲率变化率。

1扩散定律及其应用物质中的原子随时进行着热振动，温度越高，振动频率越快。

当某些原子具有足够高的能量时，便会离开原来的位置，跳向邻近的位置，这种由于物质中原子（或者其他微观粒子）的微观热运动所引起的宏观迁移现象称为扩散。

在气态和液态物质中，原子迁移可以通过对流和扩散两种方式进行，与扩散相比，对流要快得多。

然而，在固态物质中，扩散是原子迁移的唯一方式。

固态物质中的扩散与温度有很强的依赖关系，温度越高，原子扩散越快。

实验证实，物质在高温下的许多物理及化学过程均与扩散有关，因此研究物质中的扩散无论在理论上还是在应用上都具有重要意义。

物质中的原子在不同的情况下可以按不同的方式扩散，扩散速度可能存在明显的差异，可以分为以下几种类型。

①化学扩散和自扩散：扩散系统中存在浓度梯度的扩散称为化学扩散，没有浓度梯度的扩散称为自扩散，后者是指纯金属的自扩散。

②上坡扩散和下坡扩散：扩散系统中原子由浓度高处向浓度低处的扩散称为下坡扩散，由浓度低处向浓度高处的扩散称为上坡扩散。

③短路扩散：原子在晶格内部的扩散称为体扩散或称晶格扩散，沿晶体中缺陷进行的扩散称为短路扩散，后者主要包括表面扩散、晶界扩散、位错扩散等。

短路扩散比体扩散快得多。

④相变扩散：原子在扩散过程中由于固溶体过饱和而生成新相的扩散称为相变扩散或称反应扩散。

本章主要讨论扩散的宏观规律、微观机制和影响扩散的因素。

1.1扩散第一定律在纯金属中，原子的跳动是随机的，形成不了宏观的扩散流；在合金中，虽然单个原子的跳动也是随机的，但是在有浓度梯度的情况下，就会产生宏观的扩散流。

例如，具有严重晶内偏析的固溶体合金在高温扩散退火过程中，原子不断从高浓度向低浓度方向扩散，最终合金的浓度逐渐趋于均匀。

菲克（A.Fick）于1855年参考导热方程，通过实验确立了扩散物质量与其浓度梯度之间的宏观规律，即单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的物质量（扩散通量）与该物质在该面积处的浓度梯度成正比，数学表达式为（3.1）上式称为菲克第一定律或称扩散第一定律。

厦门理工材料考题1固体中原子及分子的运动一、填空题1、菲克第一定律JDC中，J为，D为某2、上坡扩散是指，扩散的驱动力是4、扩散系数与扩散激活能和扩散温度的关系表达式是7、上坡扩散是指扩散原子从向的扩散，产生上坡扩散的原因是合金系中存在着8、扩散第一定律只适用于条件，第一定律所表达的基本含义是：在条件下，只要浓度梯度存在就会有扩散发生，而且扩散通量与浓度梯度成变化。

扩散流动方向是由浓度向浓度，此过程中扩散的驱动力是9、固体中原子的扩散必须具备的条件是10、固体质点扩散的推动力是________。

二、判断题1、一般来说，在相同的温度下在铁中渗碳速度比在铁中渗铬的速度快。

（）2、晶体结构对扩散有一定的影响，在致密度较大的晶体结构中，原子的扩散系数较大。

（）3、原子扩散不可能从浓度低的区域向浓度高的区域扩散。

（）4、菲克第一定律适用于稳态扩散，菲克第二定律只适用于非稳态扩散。

（）5、冷变形金属中存在大量的空位、位错等晶体缺陷，这些缺陷阻碍原子的移动，减缓扩散过程。

（）6、晶界上原子排列混乱，不存在空位，所以空位机制扩散的原子在晶界处无法扩散。

（）8、渗碳处理常常在钢的奥氏体区域进行，是因为奥氏体的激活能比铁素体的激活能大，相同温度下奥氏体的扩散系数大比铁素体扩散系数大。

（）9、晶体结构对扩散有一定的影响，在致密度较大的晶体结构中，原子的扩散系数较大（）10、扩散温度越高，越有利于扩散进行。

14、通常晶体中原子的扩散激活能越高，其扩散系数越大，扩散速度越快。

（）15、扩散的推动力是浓度梯度，所有扩散系统中，物质都是由高浓度处向低浓度处扩散。

（）16、逆扩散的推动力是浓度梯度.（）17、浓度差会引起扩散，扩散总是从高浓度处向低浓度处进行（）三、选择题1、以下关于固体材料中的影响原子扩散的因素叙述中，不正确的是A、温度是影响扩散速率的最主要因素，温度越高，扩散进行得越快B、原子结合键能越大，扩散激活能越高，扩散越快C、晶体点阵的致密度越高，扩散系数越小，912C时碳原子在铁中的扩散系数比在铁中的大。

说明固态扩散所需要的条件固态扩散是指在固体材料中发生的原子或分子的扩散运动。

固态扩散在材料科学和工程中具有重要的意义，可以用于改善材料的性能、调控材料的微观结构以及实现材料的制备和加工等方面。

固态扩散发生的条件主要包括温度、压力、扩散物质的浓度梯度和晶体结构等。

温度是固态扩散发生的重要条件之一。

固体材料中的原子或分子在高温下具有较高的热运动能力，从而增加了扩散的速率。

根据阿累尼乌斯方程，固态扩散速率与温度呈指数关系，即随着温度的升高，固态扩散速率将显著增加。

因此，提高温度可以促进固态扩散的发生。

压力也对固态扩散起着重要的影响。

固态材料中的原子或分子在受到外力作用下会发生位错和晶格畸变等变形，从而增加了扩散的速率。

高压条件下，原子或分子之间的相互作用力增强，扩散速率也会相应增加。

因此，适当增加压力可以促进固态扩散的发生。

扩散物质的浓度梯度也是固态扩散发生的重要条件之一。

当固体材料中存在浓度差异时，原子或分子会从浓度较高的区域向浓度较低的区域扩散。

这是因为扩散是一种自发的过程，物质会从高浓度区域向低浓度区域移动以达到平衡。

因此，存在浓度梯度是固态扩散发生的必要条件。

固态扩散的速率还与晶体结构有关。

晶体结构的不同会影响固态扩散的速率。

一般来说，具有高密度的晶体结构扩散速率较快，因为原子或分子之间的距离较近，扩散路径较短。

而具有低密度的晶体结构扩散速率较慢，因为原子或分子之间的距离较远，扩散路径较长。

因此，晶体结构对固态扩散的发生和速率都具有重要影响。

固态扩散发生的条件包括温度、压力、扩散物质的浓度梯度和晶体结构等。

通过控制这些条件，可以实现对固态扩散过程的调控，并在材料科学和工程领域中发挥重要作用。

在实际应用中，我们可以利用固态扩散来制备材料、改善材料的性能以及实现材料的加工和制备等。

北京工业大学试卷七2007年攻读硕士学位研究生入学考试试题考试科目：材料科学基础适用专业：材料科学与工程一、名词解释1•脱溶(二次结晶)2•空间群3•位错交割4•成分过冷5.奥氏体6 •临界变形量7.形变织构8.动态再结晶9.调幅分解10.惯习面二、填空1.晶体宏观对称要素有⑴、⑵、⑶、⑷和⑸。

2.NaCI型晶体中Nh离子填充了全部的⑹空隙，CsCI晶体中CS离子占据的是⑺空隙，萤石中F-离子占据了全部的⑻空隙。

3.非均匀形核模型中晶核与基底平面的接触角9 =n /2，表明形核功为均匀形核功的(9) , 9 = (10)表明不能促进形核。

4.晶态固体中扩散的微观机制有(11) 、(12) 、(13) 和(14)。

5.小角度晶界由位错构成，其中对称倾转晶界由(佝位错构成，扭转晶界由(16)位错构成。

6.发生在固体表面的吸附可分为(17)和(18)两种类型。

7.固态相变的主要阻力是(19) 和(20)。

三、判断正误1.对于螺型位错，其柏氏矢量平行于位错线，因此纯螺位错只能是一条直线。

2.由于Cr最外层s轨道只有一个电子，所以它属于碱金属。

3.改变晶向符号产生的晶向与原晶向相反。

4.非共晶成分的合金在非平衡冷却条件下得到100烘晶组织，此共晶组织称伪共晶。

5.单斜晶系a =丫=90工B。

6.扩散的决定因素是浓度梯度，原子总是由浓度高的地方向浓度低的地方扩散。

7.再结晶完成后，在不同条件下可能发生正常晶粒长大和异常晶粒长大。

8.根据施密特定律，晶体滑移面平行于拉力轴时最容易产生滑移。

9.晶粒越细小，晶体强度、硬度越高，塑性、韧性越差。

10•高聚物材料中，大分子链上极性部分越多，极性越强，材料强度越大。

四、影响晶态固体中原子扩散的因素有哪些？并加以简单说明。

五、1 •什么是时效处理？2•说明通过时效处理产生强化的原因。

3•实际应用过程中，为消除时效强化可采用什么处理方法？为什么？六、1 •什么是形状记忆效应？2•说明通过马氏体相变产生形状记忆效应的原因。