1
材料科学基础
第六章扩散刘彤
Chapter Outline
•稳态扩散与非稳态扩散（Fick第一、二定律）
•扩散系数的影响因素•Kirkendall效应•空位和间隙扩散机制
•上坡扩散机制•扩散定义
•“短路”扩散机制
•扩散应用和计算
2
扩散的定义
•铸造合金的扩散退火消除枝晶偏析；•钢的加热冷却时的相变；
•钢的化学热处理；
•粉末合金的烧结；•金属的氧化；
•金属高温蠕变和断裂。•扩散: 在存在浓度梯度或化学位梯度的情况下，
原子的热运动造成物质的宏观流动。
•固态反应（第二相沉淀、再结
晶）都包含着原子扩散移动。•扩散与结构有关
金属的加工使用中的扩散
物质输送热运动
热激活固态反应激活能示意图能量
能量(J/mol)固态反应的激活能
Er+△E*•固态反应包括原子自发地重新排列，形成新的、
更稳定的结构，都牵涉到原子在固体中的运动速率。
•所需超过原子平均能量的附加能量称为激活能(J/mol)原子须有足够能量
能垒
3
固态反应速率
C 为与温度无关的速率常数；几率∝exp （-（E* -E ) / kT)系统温度达到激活能水平的原子数
Boltzmann
温度对气体分子能量增加的影响
T (K)下能量为E*（原子的平均能量为E , E*> E ）的原子出现的几率为
k为Boltzmann 常量k=1.38×10-23J/K
当E* 》E ，系统中能量大于E*的原子数分数可表示为
n / N = C exp （-E*/ kT)
n 为能量大于E*的原子数N 为系统的原子总数C 为常数
瑞典物理化学家Arrhenius温度对反应速率的影响
反应速率=C exp （△E*／RT )
△E*为激活能（J / mol )R 为摩尔气体常量=8 .314J / ( mol . K )
说明原子间的反应速率取决于参与反应的原子数(能量≥E*)。
许多固态反应速率都服从Arrhenius 速率定律
ln（反应速率）=常数-△E* / RT
log（反应速率）=常数-△E*/ 2 . 303 RT与1/T 为线性关系
For personal use only in study and
research; not for commercial use
第6章 相 变
6.1.11问题 从结构起伏、能量起伏推测什么是成分起伏？并总结起伏的一般定义。
答：1）成分起伏即浓度起伏。
2）起伏的一般定义：在某一时刻，局部能量（结构、成分）高于（或低于）平均值。
6.1.12问题 说明图6-2左图中最大的黑点(右上)，不可能移动到中图的中央。
答：假设右上的黑点到中央的距离为1 m，可计算出其移动的平均速度为100000m/s。
6.1.13问题 对式6-1求导时，把vG视为常数，这是为什么？
答：在对式6-1求导时，温度是确定的（T为参数），vG即为常数。
6.1.14问题 临界晶核密度n与表面能、过冷度、熔化热各有什么关系？为什么？
答：1）表面能越大，n越小。表面能是形核的阻力项。
2）过冷度越大，n越大。过冷度是形核的动力项。
3）熔化热越大，n越大。熔化热越大，原子间结合力越大，G越大，动力项越大，越有利于形核。
6.1.15问题 讲义中能量起伏概念是如何引进的？请用一句话解释。
答：“形核原子”的能量高于“平均原子”。
6.1.16问题 能否称式6-11中的Q为液相扩散激活能？如果可以请解释原因；如果不能请比较这里的Q与真实的液相扩散激活能的大小，并解释原因。
答：不能。Q >真实液相扩散激活能的大小。
此处Q=真实的液相扩散激活能+原子穿越液固界面的能量。
6.1.17问题 式6-11的在形式上与学过的哪个公式比较像？它们之间的共同特征是什么？差异是什么？
答：置换扩散中，TkuAZTkGBVBexpexp。
其中，TkGBexp为能够产生跳动的原子，TkuAZBVexp为原子周围的空位数。
固态相变
By Dong大魔王
固态相变：金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，其内部组织或结构会发生变化，
即发生从一种状态到另一种状态的改变，这种转变称为固态相变。
按热力学分类：
一级相变：相变时新旧两相的化学势相等，但化学势的一级偏微熵不等的相变称为一级相
变;
二级相变：相变时新旧两相的化学势相等，且化学势的一级偏微熵也相等，但化学势的二
级偏微熵不相等的相变称为二级相变。
按平衡状态图分类：
①平衡相变指在缓慢加热或冷却过程中所发生的能获得的符合平衡状态相图的平衡组织
的相变。主要有同素异构转变、多形性转变、平衡脱溶沉淀、共析相变、调幅分解、有序化
转变。
②非平衡相变:伪共析相变、马氏体相变、贝氏体相变、非平衡脱溶相变
按原子迁移情况分类：
①扩散型相变：相变时，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变称为扩散
型相变。基本特点是：相变过程中有原子扩散运动，相变速率受原子扩散速度所控制；新相
和母相得成分往往不同；只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没有宏观形状改变。
②非扩散型相变：相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动是协调一致的
相变称为非扩散型相变。一般特征是：存在由于均匀切变引起的宏观形状改变，可在预先制
备的抛光试样表面上出现浮突现象；相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同；新
相和母相之间存在一定的晶体学位向关系；某些材料发生非扩散相变时，相界面移动速度极
快，可接近声速。
试述金属固态相变的主要特征
①相界面：金属固态相变时，新相和母相的界面分为两种。
②位相关系：两相界面为共格或半共格时新相和母相之间必然有一定位相关系，两项之间
没有位相关系则为非共格界面。
③惯习面：新相往往在母相一定晶面上形成，这个晶面称为惯习面。
④应变能：圆盘型粒子所导致的应变能最小，其次是针状，球状最大。固态相变阻力包括界面能和应变能。
⑤晶体缺陷的影响：新相往往在缺陷处优先成核。原子的扩散：收扩散控制的固态相变可
固态相变原理
固态相变是指物质在固态状态下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。在固态相变中，原子或分子重新排列，从而改变了物质的性质。固态相变是固体物理学中的重要研究对象，对于材料科学和工程技术具有重要的意义。
固态相变的原理主要包括热力学和动力学两个方面。热力学描述了相变过程中物质内部的能量变化和熵变化，而动力学则描述了相变过程中原子或分子的运动和排列。在热力学方面，相变需要克服能量壁垒，使得原子或分子从一个稳定的晶体结构转变为另一个稳定的晶体结构。而在动力学方面，相变的速率取决于原子或分子的扩散和重新排列速度。
固态相变可以分为一级相变和二级相变两种类型。一级相变是指在相变过程中伴随着热量的吸收或释放，如固液相变和固气相变；而二级相变则是在相变过程中不伴随热量的吸收或释放，如铁磁相变和铁电相变。不同类型的相变具有不同的热力学和动力学特性，因此需要采用不同的方法和技术来研究和应用。
固态相变在材料科学和工程技术中具有广泛的应用。例如，通过控制金属材料的固态相变，可以改变材料的硬度、强度和导电性能，从而实现对材料性能的调控。另外，固态相变还可以应用于存储技术、传感器技术和能源材料等领域，为现代科学技术的发展提供了重要支撑。
总之，固态相变是固体物理学中的重要研究内容，对材料科学和工程技术具有重要的意义。通过深入研究固态相变的原理和特性，可以为材料的设计、制备和应用提供重要的理论和技术支持。希望在未来的研究中，固态相变能够得到更加深入和全面的理解，为人类社会的发展做出更大的贡献。
