醫(yī)學(xué)]上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)課件

1、醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 4.1表象理論 4.2擴(kuò)散的熱力學(xué)分析 4.3擴(kuò)散的原子理論 4.4擴(kuò)散激活能 4.5無(wú)規(guī)則行走與擴(kuò)散距離 4.6影響擴(kuò)散的因素 4.7反應(yīng)擴(kuò)散 4.8離子晶體中的擴(kuò)散醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 1. 概念：擴(kuò)散定律、擴(kuò)散系數(shù)、純擴(kuò)概念：擴(kuò)散定律、擴(kuò)散系數(shù)、純擴(kuò)散、化學(xué)擴(kuò)散、上坡擴(kuò)散、下坡擴(kuò)散、原散、化學(xué)擴(kuò)散、上坡擴(kuò)散、下坡擴(kuò)散、原子擴(kuò)散、反應(yīng)（相變）擴(kuò)散、自擴(kuò)散、互子擴(kuò)散、反應(yīng)（相變）擴(kuò)散、自擴(kuò)散、互（異）擴(kuò)散、擴(kuò)散激活能，穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，非（異）擴(kuò)散、擴(kuò)散激活能，穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散

2、，非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，擴(kuò)散通量、柯肯達(dá)爾效應(yīng)穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，擴(kuò)散通量、柯肯達(dá)爾效應(yīng) 2.固態(tài)金屬中原子擴(kuò)散的條件固態(tài)金屬中原子擴(kuò)散的條件 3.擴(kuò)散定律的內(nèi)容、適應(yīng)條件、解及應(yīng)擴(kuò)散定律的內(nèi)容、適應(yīng)條件、解及應(yīng)用用 4.擴(kuò)散系數(shù)及其影響因素，擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力擴(kuò)散系數(shù)及其影響因素，擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力 5.固相中原子擴(kuò)散的各種機(jī)制固相中原子擴(kuò)散的各種機(jī)制 6.擴(kuò)散的分類擴(kuò)散的分類醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)1.菲克第一定律的含義和各參數(shù)的量綱。2.根據(jù)一些較簡(jiǎn)單的擴(kuò)散問(wèn)題中的初始條件和邊界條件，能運(yùn)用菲克第二定律求解。3.柯肯達(dá)爾效應(yīng)的起因，以及標(biāo)記面漂移方向與擴(kuò)散偶中兩組元擴(kuò)散系數(shù)大小的關(guān)系。4.擴(kuò)散系數(shù)

3、的求解方法5.擴(kuò)散的幾種機(jī)制，著重的是間隙機(jī)制和空位機(jī)制。6.計(jì)算和求解擴(kuò)散系數(shù)及擴(kuò)散激活能的方法。7.影響擴(kuò)散的主要因素醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)原子或分子的遷移現(xiàn)象原子或分子的遷移現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。稱為擴(kuò)散。擴(kuò)散的本質(zhì)是原子依靠熱運(yùn)動(dòng)從一個(gè)位置遷移擴(kuò)散的本質(zhì)是原子依靠熱運(yùn)動(dòng)從一個(gè)位置遷移到另一個(gè)位置。到另一個(gè)位置。擴(kuò)散是固體中原子遷移的唯一方式。擴(kuò)散是固體中原子遷移的唯一方式。醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散是固體材料中的一個(gè)重要現(xiàn)象擴(kuò)散是固體材料中的一個(gè)重要現(xiàn)象, ,它它和材料科學(xué)工程中的很多過(guò)程密切相關(guān)：和材料科學(xué)工程中的很多過(guò)程密切相關(guān)：1

4、.1.鑄件的凝固及均勻化退火鑄件的凝固及均勻化退火2.2.冷變形金屬的回復(fù)和再結(jié)晶冷變形金屬的回復(fù)和再結(jié)晶3.3.陶瓷和粉末冶金的燒結(jié)陶瓷和粉末冶金的燒結(jié)4.4.材料的固態(tài)相變材料的固態(tài)相變5.5.高溫蠕變高溫蠕變6.6.材料的各種表面處理材料的各種表面處理醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 研究擴(kuò)散一般有兩種方法： 1、表象理論：根據(jù)所測(cè)量的參數(shù)描述物質(zhì)傳輸?shù)乃俾屎蛿?shù)量； 2、原子理論：即擴(kuò)散過(guò)程中物質(zhì)是如何傳輸?shù)摹ａt(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)內(nèi)容：在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直擴(kuò)散方向的單位截面積上的內(nèi)容：在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直擴(kuò)散方向的單位截面積上的與該截面處的

5、濃度梯度成與該截面處的濃度梯度成正比正比. . 表達(dá)式表達(dá)式: J = : J = Dd/dxDd/dx式中：式中：J J為擴(kuò)散通量，表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向?yàn)閿U(kuò)散通量，表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向x x的單位的單位面積的擴(kuò)散物質(zhì)質(zhì)量，單位面積的擴(kuò)散物質(zhì)質(zhì)量，單位kg/m2kg/m2* *s s描述擴(kuò)散速度的描述擴(kuò)散速度的物理量。它等于濃度梯度物理量。它等于濃度梯度(concentiontration gradient)(concentiontration gradient)為為1 1時(shí)在時(shí)在1 1秒內(nèi)通過(guò)秒內(nèi)通過(guò)1 1面積的物質(zhì)質(zhì)量，單位面積的物質(zhì)質(zhì)量，單位kg/m3kg/m3。

6、D D越越大大, ,則擴(kuò)散越快則擴(kuò)散越快. .式中負(fù)號(hào)表示物質(zhì)的擴(kuò)散方向與質(zhì)量的濃式中負(fù)號(hào)表示物質(zhì)的擴(kuò)散方向與質(zhì)量的濃度梯度度梯度d/dxd/dx方向相反；方向相反；描述在穩(wěn)態(tài)條件下描述在穩(wěn)態(tài)條件下的擴(kuò)散（的擴(kuò)散（) ,) ,即各處濃度不隨時(shí)即各處濃度不隨時(shí)間變化間變化, ,只隨距離變化而變化只隨距離變化而變化. .醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)內(nèi)容：內(nèi)容： 運(yùn)用擴(kuò)散第一定律測(cè)定碳在運(yùn)用擴(kuò)散第一定律測(cè)定碳在-Fe-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)，中的擴(kuò)散系數(shù)，實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)： 將一個(gè)半徑為將一個(gè)半徑為r r，長(zhǎng)度為，長(zhǎng)度為l l的純的純FeFe空心圓筒置于空心圓筒置于滲碳?xì)夥諠B碳，心部通滲碳

7、氣氛，外部為脫碳?xì)夥?，滲碳?xì)夥諠B碳，心部通滲碳?xì)夥?，外部為脫碳?xì)夥?，在一定溫度下?jīng)過(guò)一定時(shí)間后，圓筒內(nèi)的各點(diǎn)濃度在一定溫度下經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，圓筒內(nèi)的各點(diǎn)濃度不再隨時(shí)間而變化，碳原子從內(nèi)壁滲入，外壁滲出。不再隨時(shí)間而變化，碳原子從內(nèi)壁滲入，外壁滲出。醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)分析：碳原子從內(nèi)壁滲入，外壁滲出達(dá)到平衡時(shí)，圓分析：碳原子從內(nèi)壁滲入，外壁滲出達(dá)到平衡時(shí)，圓筒內(nèi)各處碳濃度不再隨時(shí)間而變化，為穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散筒內(nèi)各處碳濃度不再隨時(shí)間而變化，為穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散解：?jiǎn)挝幻娣e中碳流量，即擴(kuò)散通量：解：?jiǎn)挝幻娣e中碳流量，即擴(kuò)散通量： J=q/J=q/（AtAt）=q/=q/（2rlt2rl

8、t） A A：圓筒總面積，：圓筒總面積，r r及及l(fā) l：園筒半徑及長(zhǎng)度，：園筒半徑及長(zhǎng)度，q q：通過(guò)：通過(guò)圓筒的碳量圓筒的碳量根據(jù)根據(jù)FickFick第一定律又有：第一定律又有： J=q/J=q/（AtAt）=q/=q/（2rlt2rlt） =-D=-D（ d d/dr/dr）解得：解得： q =-D q =-D （2lt2lt） （ d d/dlnr/dlnr） 式中，式中，q q、l l、t t可在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得，只要測(cè)出碳可在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得，只要測(cè)出碳含量沿筒徑方向分布（通過(guò)剝層法測(cè)出不同含量沿筒徑方向分布（通過(guò)剝層法測(cè)出不同r r處的處的碳含量）碳含量）, ,則擴(kuò)散系數(shù)則擴(kuò)散系數(shù)D D可由

9、碳的質(zhì)量濃度可由碳的質(zhì)量濃度對(duì)對(duì)lnrlnr作圖求得。作圖求得。作圖結(jié)果見(jiàn)作圖結(jié)果見(jiàn)P132P1324.1.4.1.醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的情況很少見(jiàn)，有些擴(kuò)散雖然不是穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，只要原子濃度隨時(shí)間的變化很緩慢，就可以按穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散處理。 實(shí)際中的絕大部分?jǐn)U散屬于非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，這時(shí)系統(tǒng)中的濃度不僅與擴(kuò)散距離有關(guān)，也與擴(kuò)散時(shí)間有關(guān)， 描述描述在擴(kuò)散過(guò)程中各處的濃度都隨時(shí)間變化而變化在擴(kuò)散過(guò)程中各處的濃度都隨時(shí)間變化而變化, ,即即d d/dt0/dt0，因而通過(guò)各處的擴(kuò)散流量不再相因而通過(guò)各處的擴(kuò)散流量不再相等，而是隨距離和時(shí)間發(fā)生變化。等，而是隨距離和時(shí)間發(fā)生變化

10、。醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 分析問(wèn)題：在垂直于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)方向x上，取一個(gè)截面面積為A，長(zhǎng)度為dx的體積元，設(shè)流入和流出此體積元的通量分別為J1和J2，作質(zhì)量平衡可得： 流入質(zhì)量流出質(zhì)量積存質(zhì)量 流入速率流出速率積存速率醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)根據(jù)上述分析可得：流入速率J1*A流出速率J2*A=J1*A+積存速率 同樣，積存速率也可以用體積元中擴(kuò)散物質(zhì)質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化率來(lái)表示，因此可得： 即 將Fick 第一定律帶入可得：()JAdxxJAdxxJAdxxAdxtJtx ()Dtxx醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 上述方程

11、即為擴(kuò)散第二定律或Fick第二定律，如果假定D與濃度無(wú)關(guān)，則上式可簡(jiǎn)化為： 考慮三維情況：則擴(kuò)散第二定律的普遍式為：22Dtx222222()Dtxyz醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)(0)limsxJDx醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 對(duì)于非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，需要對(duì)對(duì)于非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，需要對(duì)FickFick第二定第二定律律按所研究問(wèn)題的初始條件，邊界條件按所研究問(wèn)題的初始條件，邊界條件解微分方程，不同的初始條件，將導(dǎo)致方程解微分方程，不同的初始條件，將導(dǎo)致方程不同的解，分別舉例如下：不同的解，分別舉例如下： 醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 醫(yī)學(xué)上

12、海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 分析問(wèn)題：1 1）兩根無(wú)限長(zhǎng)）兩根無(wú)限長(zhǎng)A A、B B合金棒，各截面濃度均勻，合金棒，各截面濃度均勻，濃度濃度C C2 2CC1 12 2）兩合金棒對(duì)焊，擴(kuò)散方向?yàn)椋﹥珊辖鸢魧?duì)焊，擴(kuò)散方向?yàn)閤 x方向方向3 3）合金棒無(wú)限長(zhǎng)，棒的兩端濃度不受擴(kuò)散影響）合金棒無(wú)限長(zhǎng)，棒的兩端濃度不受擴(kuò)散影響 根據(jù)上述條件可寫出初始條件及邊界條件根據(jù)上述條件可寫出初始條件及邊界條件初始條件：初始條件：t=0t=0時(shí)時(shí), x0, x0則則C=CC=C1 1，x0, C=Cx0 =x0 =；x0 = 0 x00，D0D0為下為下坡擴(kuò)散；當(dāng)坡擴(kuò)散；當(dāng) 0,D00,D0為上坡

13、擴(kuò)散。為上坡擴(kuò)散。 總之總之, ,決定組元擴(kuò)散的基本因素為化學(xué)勢(shì)梯度決定組元擴(kuò)散的基本因素為化學(xué)勢(shì)梯度, ,擴(kuò)散總是導(dǎo)致化學(xué)勢(shì)梯度的減小擴(kuò)散總是導(dǎo)致化學(xué)勢(shì)梯度的減小, ,直至為零。直至為零。ln(1)lniirxln(1)lniirxlnln(1)lnlniiiiiiarDkTBkTBxx醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散機(jī)制擴(kuò)散機(jī)制( (機(jī)理機(jī)理) ) 原子的跳躍和擴(kuò)散系數(shù)原子的跳躍和擴(kuò)散系數(shù) 醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 在晶體中，原子在其平衡位置作熱振動(dòng)，在晶體中，原子在其平衡位置作熱振動(dòng)，并會(huì)從

14、一個(gè)平衡位置跳到另一個(gè)平衡位置，并會(huì)從一個(gè)平衡位置跳到另一個(gè)平衡位置，即發(fā)生擴(kuò)散，即發(fā)生擴(kuò)散，的主要類型有交換機(jī)制、間隙機(jī)的主要類型有交換機(jī)制、間隙機(jī)制和空位機(jī)制。制和空位機(jī)制。醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 以相鄰原子交換位置的方式進(jìn)行擴(kuò)散。換位方以相鄰原子交換位置的方式進(jìn)行擴(kuò)散。換位方式：直接換位擴(kuò)散和環(huán)形換位擴(kuò)散式：直接換位擴(kuò)散和環(huán)形換位擴(kuò)散 直接換位機(jī)制在密排結(jié)構(gòu)中未必可能，因?yàn)樗苯訐Q位機(jī)制在密排結(jié)構(gòu)中未必可能，因?yàn)樗鼤?huì)引起大的畸變和需要太大的激活能。會(huì)引起大的畸變和需要太大的激活能。 19511951年年ZenerZener提出了環(huán)形換位機(jī)制，這種機(jī)制提出了環(huán)形

15、換位機(jī)制，這種機(jī)制所需要的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直接換位機(jī)制，但是可能所需要的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直接換位機(jī)制，但是可能性仍然不大，因?yàn)樗蛹w運(yùn)動(dòng)的約束。性仍然不大，因?yàn)樗蛹w運(yùn)動(dòng)的約束。 環(huán)形換位擴(kuò)散模型環(huán)形換位擴(kuò)散模型醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 不管是直接擴(kuò)散還是環(huán)形擴(kuò)散，其結(jié)果是不管是直接擴(kuò)散還是環(huán)形擴(kuò)散，其結(jié)果是垂直于擴(kuò)散方向平面的凈通量等于垂直于擴(kuò)散方向平面的凈通量等于0 0，即擴(kuò)散，即擴(kuò)散原子實(shí)現(xiàn)等量擴(kuò)散，不可能出現(xiàn)柯肯達(dá)爾效應(yīng)。原子實(shí)現(xiàn)等量擴(kuò)散，不可能出現(xiàn)柯肯達(dá)爾效應(yīng)。 目前沒(méi)有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在金屬或合金中出現(xiàn)目前沒(méi)有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在金屬或合金中出現(xiàn)這種交換的擴(kuò)散機(jī)制，但是

16、在金屬液體中或者這種交換的擴(kuò)散機(jī)制，但是在金屬液體中或者非晶體中，這種協(xié)作交換機(jī)制可能實(shí)現(xiàn)。非晶體中，這種協(xié)作交換機(jī)制可能實(shí)現(xiàn)。醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 間隙型溶質(zhì)原子從一個(gè)位置遷移到另一個(gè)間隙位間隙型溶質(zhì)原子從一個(gè)位置遷移到另一個(gè)間隙位置的過(guò)程，置換型溶質(zhì)原子間隙機(jī)制擴(kuò)散有如下方式：置的過(guò)程，置換型溶質(zhì)原子間隙機(jī)制擴(kuò)散有如下方式： a.a.躍遷機(jī)制躍遷機(jī)制 b. b.推填機(jī)制推填機(jī)制 c. c.擠列機(jī)制擠列機(jī)制: :一個(gè)間隙原子擠入密排方向，使若干原子偏離平衡位置一個(gè)間隙原子擠入密排方向，使若干原子偏離平衡位置醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 空位

17、擴(kuò)散與晶體中的空位濃度有直接關(guān)系。晶體空位擴(kuò)散與晶體中的空位濃度有直接關(guān)系。晶體在一定溫度下總存在一定數(shù)量的空位，溫度越高，空在一定溫度下總存在一定數(shù)量的空位，溫度越高，空位數(shù)量越多，因此在較高溫度下在任一原子周圍都有位數(shù)量越多，因此在較高溫度下在任一原子周圍都有可能出現(xiàn)空位，這便為原子擴(kuò)散創(chuàng)造了結(jié)構(gòu)上的有利可能出現(xiàn)空位，這便為原子擴(kuò)散創(chuàng)造了結(jié)構(gòu)上的有利條件。條件。 醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 空位擴(kuò)散機(jī)制適合于純金屬的自擴(kuò)散和置換空位擴(kuò)散機(jī)制適合于純金屬的自擴(kuò)散和置換固溶體中原子的擴(kuò)散，甚至在離子化合物和氧化固溶體中原子的擴(kuò)散，甚至在離子化合物和氧化物中也起主要作用，

18、這種機(jī)制也已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。物中也起主要作用，這種機(jī)制也已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。因此，在置換固溶體中，由于溶質(zhì)和溶劑原子的因此，在置換固溶體中，由于溶質(zhì)和溶劑原子的尺寸都較大，原子不太可能處在間隙中通過(guò)間隙尺寸都較大，原子不太可能處在間隙中通過(guò)間隙進(jìn)行擴(kuò)散，而是通過(guò)空位進(jìn)行擴(kuò)散的。進(jìn)行擴(kuò)散，而是通過(guò)空位進(jìn)行擴(kuò)散的。醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 晶體內(nèi)擴(kuò)散晶體內(nèi)擴(kuò)散Dl Dl 晶界擴(kuò)散晶界擴(kuò)散Db Db G2)=Nexp(-G2/kt)G2)=Nexp(-G2/kt)同理自由能大于同理自由能大于G1G1的原子數(shù)的原子數(shù)n為：為： n(G G1)=Nexp(-G1/kt)G1)=Nex

19、p(-G1/kt)則有：則有：n(G G2)/ G2)/ n(G G1)=exp(-G2/kt)- (-G1/kt)G1)=exp(-G2/kt)- (-G1/kt) 由于由于G1G1處于平衡位置，即自由能最低的穩(wěn)定狀態(tài)，處于平衡位置，即自由能最低的穩(wěn)定狀態(tài)，所以所以n(G G1)G1)近似為近似為N N得到具有跳躍條件的原子分?jǐn)?shù)或幾率為：得到具有跳躍條件的原子分?jǐn)?shù)或幾率為： n(G G2)/ G2)/ Nexp(-exp(-（G2- G1G2- G1）/kt)/kt)醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)原子沿一維方向的跳動(dòng)原子沿一維方向的跳動(dòng) 設(shè)溶質(zhì)原子在單位面積面設(shè)溶質(zhì)原子在

20、單位面積面1 1和面和面2 2處的面密度分別是處的面密度分別是n1n1和和n2n2，兩面間距離為兩面間距離為d d，原子的跳動(dòng)頻率為，原子的跳動(dòng)頻率為，跳動(dòng)幾率無(wú)論由面，跳動(dòng)幾率無(wú)論由面1 1跳跳向面向面2 2，還是由面，還是由面2 2跳向面跳向面1 1都為都為P P。 原子的跳動(dòng)幾率原子的跳動(dòng)幾率P P：是指如果在面：是指如果在面1 1上的原子向其周圍近上的原子向其周圍近鄰的可能跳動(dòng)的位置總數(shù)為鄰的可能跳動(dòng)的位置總數(shù)為n n，其中只向面，其中只向面2 2跳動(dòng)的位置數(shù)為跳動(dòng)的位置數(shù)為m m，則則P Pm/nm/n。 例如，在簡(jiǎn)單立方晶體中，原子可以向六個(gè)方向跳動(dòng)，例如，在簡(jiǎn)單立方晶體中，原子可

21、以向六個(gè)方向跳動(dòng)，但只向但只向x x軸正方向跳動(dòng)的幾率軸正方向跳動(dòng)的幾率P P1/61/6。這里假定原子朝正、反方。這里假定原子朝正、反方向跳動(dòng)的幾率相同。向跳動(dòng)的幾率相同。醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 在t時(shí)間內(nèi)，在單位面積上由面1跳向面2或者由面2跳向面1的溶質(zhì)原子數(shù)分別為tPnNtPnN212121tPnnNN)(211221PnnJ)(21 若n1n2，則面1跳向面2的原子數(shù)大于面2跳向面1的原子數(shù)，產(chǎn)生溶質(zhì)原子的凈傳輸按擴(kuò)散通量的定義，可以得到 醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 設(shè)晶面設(shè)晶面1和晶面和晶面2之間的距離為之間的距離為d，可得質(zhì)量，

22、可得質(zhì)量濃度濃度1n1*Ar/NA*d, 2n2*Ar/NA*d,即即2 1（n2n1）Ar/NA*d而晶面而晶面2上的質(zhì)量濃度又可由微分公式給出：上的質(zhì)量濃度又可由微分公式給出： 21 d/dx*d對(duì)比以上兩式可得：對(duì)比以上兩式可得： n2 n1d*d/dx*d*Ar/NA帶入公式帶入公式并與菲克第一定律并與菲克第一定律J=-D*d/dx可得：可得：PnnJ)(212DPd醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 總結(jié)：總結(jié)： 經(jīng)推導(dǎo)，在經(jīng)推導(dǎo)，在T T溫度下具有跳躍條件的原溫度下具有跳躍條件的原子分?jǐn)?shù)子分?jǐn)?shù)( (稱為幾率稱為幾率,jump probability)n/N,jump

23、 probability)n/N為：為： n/N = expn/N = exp（G / kTG / kT） 根據(jù)擴(kuò)散方程及數(shù)學(xué)推導(dǎo)得：根據(jù)擴(kuò)散方程及數(shù)學(xué)推導(dǎo)得： D = Pd D = Pd 上式從間隙固溶體中求得上式從間隙固溶體中求得, ,也適用于置換也適用于置換固溶體。固溶體。醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)1、間隙固溶體中的擴(kuò)散系數(shù)、間隙固溶體中的擴(kuò)散系數(shù) 設(shè)間隙原子周圍近鄰的間隙數(shù)（間隙配位數(shù)）為z，間隙原子朝一個(gè)間隙振動(dòng)的頻率為，由于固溶體中的間隙原子數(shù)比間隙數(shù)少得多，所以每個(gè)間隙原子周圍的間隙基本是空的，則跳動(dòng)頻率可表達(dá)為kTGzexpSTESTHG kTEkSzP

24、dDexpexp2其中H、E、S分別稱為擴(kuò)散激活焓、激活內(nèi)能及激活熵，通常將擴(kuò)散激活內(nèi)能簡(jiǎn)稱為擴(kuò)散激活能，則 令 EQkSzPdD exp20得kTQDDexp0令醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)2.置換擴(kuò)散、自擴(kuò)散系數(shù)置換擴(kuò)散、自擴(kuò)散系數(shù)經(jīng)熱力學(xué)推導(dǎo)，空位平衡濃度表達(dá)式為 kTEkSkTGNnvvvvexpexpexpvvvSTEGvvES,式中，空位形成自由能，分別稱為空位形成熵和空位形成能。 設(shè)原子朝一個(gè)空位振動(dòng)的頻率為，得原子的跳動(dòng)頻率為kTEEkSSzvvexpexp得擴(kuò)散系數(shù)kTEEkSSzPdDvvexpexp2令EEQkSSzPdDvvexp20得kTQDDe

25、xp0醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)總結(jié)：總結(jié)： 對(duì)于間隙型擴(kuò)散、置換型擴(kuò)散及純金屬的自擴(kuò)對(duì)于間隙型擴(kuò)散、置換型擴(kuò)散及純金屬的自擴(kuò)散都可導(dǎo)出散都可導(dǎo)出D D： 注：注：(1) D0(1) D0為擴(kuò)散常數(shù)為擴(kuò)散常數(shù), ,與與S S有關(guān)有關(guān), ,其數(shù)值可查其數(shù)值可查 (2) Q(2) Q為每摩爾原子擴(kuò)散的激活能為每摩爾原子擴(kuò)散的激活能(activation energy of (activation energy of diffusion)diffusion)。對(duì)于間隙型擴(kuò)散。對(duì)于間隙型擴(kuò)散,Q,Q為原子跳躍所需要的遷移為原子跳躍所需要的遷移能能E E；對(duì)于置換型擴(kuò)散或自擴(kuò)散，

26、；對(duì)于置換型擴(kuò)散或自擴(kuò)散，Q Q包括原子遷移能包括原子遷移能E E和和空位形成能空位形成能EvEv，Q Q數(shù)值可查。數(shù)值可查。 (3)(3) R R為氣體常數(shù)，其值為為氣體常數(shù)，其值為8.31J/8.31J/（mol.Kmol.K）(4)(4) 不同擴(kuò)散機(jī)制的擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)形式相同，但不同擴(kuò)散機(jī)制的擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)形式相同，但D D和和Q Q值不同。值不同。kTQDDexp0醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 晶體中原子擴(kuò)散機(jī)制不同晶體中原子擴(kuò)散機(jī)制不同, ,其其不同。但可以通過(guò)實(shí)不同。但可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得擴(kuò)散激活能驗(yàn)求得擴(kuò)散激活能Q Q。方法是對(duì)擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)式兩邊取對(duì)數(shù)，如下：方法是

27、對(duì)擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)式兩邊取對(duì)數(shù)，如下： 由實(shí)驗(yàn)確定由實(shí)驗(yàn)確定lnDlnD與與1/T1/T的關(guān)系。若的關(guān)系。若lnDlnD1/T1/T呈直線關(guān)系呈直線關(guān)系, ,可用外推法求出可用外推法求出lnD0,lnD0,直線的斜率直線的斜率為為Q/RQ/R，則，則 Q=Q=RtgRtg 一般一般D0D0與與Q Q和和T T無(wú)關(guān)無(wú)關(guān), ,只與擴(kuò)散機(jī)制及材料有關(guān)。只與擴(kuò)散機(jī)制及材料有關(guān)。kTQDDexp0醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 晶體中原子在跳動(dòng)時(shí)并不是沿直線遷移，而是晶體中原子在跳動(dòng)時(shí)并不是沿直線遷移，而是呈折線的隨機(jī)跳動(dòng)，就像花粉在水面上的布朗運(yùn)動(dòng)呈折線的隨機(jī)跳動(dòng)，就像花粉在水面上的布

28、朗運(yùn)動(dòng)那樣。原子擴(kuò)散那樣。原子擴(kuò)散是指擴(kuò)散原子的行走是向各個(gè)方向隨機(jī)條是指擴(kuò)散原子的行走是向各個(gè)方向隨機(jī)條約的約的. .其擴(kuò)散距離與擴(kuò)散時(shí)間的平方根成正比。其擴(kuò)散距離與擴(kuò)散時(shí)間的平方根成正比。醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散距離與時(shí)間關(guān)系公式推導(dǎo)： 首先在晶體中選定一個(gè)原子，在一段時(shí)間內(nèi)，這個(gè)原子差不多都在自己的位置上振動(dòng)著，只有當(dāng)它的能量足夠高時(shí)，才能發(fā)生跳動(dòng)，從一個(gè)位置跳向相鄰的下一個(gè)位置。在一般情況下，每一次原子的跳動(dòng)方向和距離可能不同，因此用原子的位移矢量表示原子的每一次跳動(dòng)是很方便的。設(shè)原子在t時(shí)間內(nèi)總共跳動(dòng)了n次，每次跳動(dòng)的位移矢量為 ir則原子從始點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)

29、過(guò)n次隨機(jī)的跳動(dòng)到達(dá)終點(diǎn)時(shí)的凈位移矢量 nR應(yīng)為每次位移矢量之和， 如圖 niinnrrrrrR1321醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 當(dāng)原子沿晶體空間的一定取向跳動(dòng)時(shí)，總有前進(jìn)和后退，或者正和反兩個(gè)方向可以跳動(dòng)。如果正、反方向跳動(dòng)的幾率相同，則原子沿這個(gè)取向上所產(chǎn)生的位移矢量將相互抵消。為避免這種情況，采取數(shù)學(xué)中的點(diǎn)積運(yùn)算， niniiiniiniinnnnnnnnrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrRRR122111112321232221213121112222可以簡(jiǎn)寫為jinjjniiniinrrrR1111222醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基

30、礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 對(duì)于對(duì)稱性高的立方晶系，原子每次跳動(dòng)的步長(zhǎng)相等，令 rrrr321則 111,222cos2njjnijiinrrnRjii ,jiirr,式中，是位移矢量之間的夾角。上面討論的是一個(gè)原子經(jīng)有限次隨機(jī)跳動(dòng)所產(chǎn)生的凈位移，對(duì)于晶體中大量原子的隨機(jī)跳動(dòng)所產(chǎn)生的總凈位移，就是將上式取算術(shù)平均值，即111,222cos2njjnijiinrnrR如果原子跳動(dòng)了無(wú)限多次（這可以理解為有限多原子進(jìn)行了無(wú)限多次跳動(dòng)，或者無(wú)限多原子進(jìn)行了有限次跳動(dòng)），并且原子的正、反跳動(dòng)的幾率相同，則上式中的求和項(xiàng)為零。 醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 簡(jiǎn)化成 上式可見(jiàn)，原子的平

31、均遷移值與跳躍次數(shù)n的平方根成正比，已經(jīng)導(dǎo)出， 如果考慮三維躍遷，P1/6得到 2DPd22nrRn將其開平方，得到原子凈位移的方均根，即原子的平均擴(kuò)散距離rnRn222.45nRDt醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 由前述可知由前述可知, ,在一定條件下擴(kuò)散的快慢主要在一定條件下擴(kuò)散的快慢主要與與D D有關(guān)，而有關(guān)，而D D與與T T、Q Q有關(guān)，即：有關(guān)，即： D = D0expD = D0exp（Q / RTQ / RT）。）。 所以，所以，醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 溫度（溫度（T T）：）：T T升高、升高、D D升高、升高、D D與與T T

32、呈指數(shù)呈指數(shù)關(guān)系。關(guān)系。 ，碳在，碳在-Fe-Fe中擴(kuò)散，中擴(kuò)散，927927時(shí)，時(shí)，D D = = 1.611.611010-11 -11 m m2 2/s/s，而在，而在10271027時(shí)，時(shí)，D D = = 4.744.741010-11 -11 m m2 2/s/s。可見(jiàn)，溫度從。可見(jiàn)，溫度從927927提高提高到到10271027，就使擴(kuò)散系數(shù)，就使擴(kuò)散系數(shù)D D增大增大3 3倍，即滲倍，即滲碳速度加快了碳速度加快了3 3倍。所以，生產(chǎn)上各種受擴(kuò)倍。所以，生產(chǎn)上各種受擴(kuò)散控制的過(guò)程都要考慮溫度的重大影響。散控制的過(guò)程都要考慮溫度的重大影響。醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子

33、的運(yùn)動(dòng) 固溶體類型：形成間隙固溶體比形成置固溶體類型：形成間隙固溶體比形成置換固溶體所需換固溶體所需Q Q小得多小得多, ,擴(kuò)散也快得多。擴(kuò)散也快得多。 C C在在FeFe中中,1200K,1200K時(shí)時(shí) Dc=1.61Dc=1.611010- 1 1- 1 1 m m2 2/s/s Ni Ni在在FeFe中中,1200K,1200K時(shí)時(shí) D DN iN i=2.08=2.081010- 1 7- 1 7 m m2 2/s/s 二者相差約二者相差約760000760000倍。倍。醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 碳原子在碳原子在-Fe(-Fe(熔點(diǎn)熔點(diǎn)1809K)1809K)

34、、V(V(釩，熔點(diǎn)釩，熔點(diǎn)2108K)2108K)、Nb(Nb(鈮鈮, , 熔點(diǎn)熔點(diǎn)2793K)2793K)、W(W(鎢鎢, , 熔點(diǎn)熔點(diǎn)3653K)3653K)中的擴(kuò)散激活能中的擴(kuò)散激活能Q Q分別為：分別為：103103、114114、159159、169169（kJ/molkJ/mol）。）。 也就是說(shuō)，也就是說(shuō)，結(jié)構(gòu)不同，原子排列不同結(jié)構(gòu)不同，原子排列不同致密度不同，致密度不同，D D不同。致密度大，不同。致密度大，D D??；致密度小，?。恢旅芏刃?，D D大。原大。原子鍵合力越強(qiáng)，子鍵合力越強(qiáng)，Q Q越高。晶體的對(duì)稱性對(duì)越高。晶體的對(duì)稱性對(duì)D D也有影響。也有影響。900900時(shí)碳在時(shí)

35、碳在-Fe(bcc)-Fe(bcc)和和-Fe(fcc)-Fe(fcc)中的擴(kuò)散系中的擴(kuò)散系數(shù)數(shù)D D分別為：分別為：1.61.61010-10 -10 m m2 2/s/s和和8.78.71010-12 -12 m m2 2/s/s。這表明，在。這表明，在相同的溫度下，碳在相同的溫度下，碳在-Fe-Fe中的擴(kuò)散比在中的擴(kuò)散比在-Fe-Fe中的擴(kuò)散更容中的擴(kuò)散更容易，速度更快。這主要是因?yàn)樘荚釉谝?，速度更快。這主要是因?yàn)樘荚釉?Fe-Fe中，間隙固溶中，間隙固溶造成的晶格畸變更大。造成的晶格畸變更大。醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 規(guī)律：擴(kuò)散規(guī)律：擴(kuò)散元素在基體金屬中造

36、成的晶格畸變?cè)酱螅ㄩg元素在基體金屬中造成的晶格畸變?cè)酱螅ㄩg隙原子的半徑越大，對(duì)基體造成的晶格畸變隙原子的半徑越大，對(duì)基體造成的晶格畸變?cè)酱螅?，擴(kuò)散激活能就越小，則擴(kuò)散系數(shù)越越大），擴(kuò)散激活能就越小，則擴(kuò)散系數(shù)越大，擴(kuò)散越容易，擴(kuò)散越快。大，擴(kuò)散越容易，擴(kuò)散越快。 例如例如, ,間隙原子間隙原子N(N(氮氮) )、C(C(碳碳) )、B(B(硼硼) )在在-Fe-Fe中的擴(kuò)散中的擴(kuò)散( (見(jiàn)下頁(yè)表見(jiàn)下頁(yè)表) )。表內(nèi)為間隙原。表內(nèi)為間隙原子在子在-Fe-Fe中的擴(kuò)散參數(shù)，表中中的擴(kuò)散參數(shù)，表中D D的值是應(yīng)用的值是應(yīng)用4.394.39式計(jì)算所得式計(jì)算所得醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分

37、子的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)擴(kuò) 散散 元元 素素N(氮氮)C(碳碳)B(硼硼)原子半徑原子半徑, 0.710.770.90固溶度，固溶度，wt %2.82.10.018D0，m2/s2.010-51.010-50.0210-5Q，kJ/mol15113688D,m2/s (900)3.710-128.710-122.410-11醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 點(diǎn)、線、面缺陷都會(huì)影響擴(kuò)散系數(shù)。缺陷的密度增加，擴(kuò)點(diǎn)、線、面缺陷都會(huì)影響擴(kuò)散系數(shù)。缺陷的密度增加，擴(kuò)散系數(shù)增加。擴(kuò)散的途徑：晶內(nèi)擴(kuò)散（散系數(shù)增加。擴(kuò)散的途徑：晶內(nèi)擴(kuò)散（QlQl、DlDl）、晶界擴(kuò)）、晶界擴(kuò)散（散（QbQb、DbDb）、

38、表面擴(kuò)散（）、表面擴(kuò)散（QsQs、DsDs）。）。 lnD lnD1/T1/T成直線關(guān)系，圖成直線關(guān)系，圖4.154.15為單、多晶體的為單、多晶體的D D隨變化圖。隨變化圖。從圖中可以看出：從圖中可以看出：(1)(1) 單晶體的擴(kuò)散系數(shù)表征晶內(nèi)單晶體的擴(kuò)散系數(shù)表征晶內(nèi)Dl;Dl;而多而多晶體的晶體的D D是晶內(nèi)擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散共同作用的表象擴(kuò)散系數(shù)。是晶內(nèi)擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散共同作用的表象擴(kuò)散系數(shù)。 (2)(2) 對(duì)對(duì)AgAg來(lái)說(shuō)來(lái)說(shuō) 700700C C以上以上 D D單晶單晶D D多；多；700700C C以下以下 D D單單晶晶DD多晶。多晶。 (3)(3) 晶界擴(kuò)散也有各向異性。晶界擴(kuò)散也有各

39、向異性。 (4)(4) 晶界擴(kuò)散晶界擴(kuò)散比晶內(nèi)擴(kuò)散快的多。而對(duì)于間隙固溶體比晶內(nèi)擴(kuò)散快的多。而對(duì)于間隙固溶體, ,溶質(zhì)原子半徑小易溶質(zhì)原子半徑小易擴(kuò)散擴(kuò)散, ,其其Dl DbDl Db。 (5)(5) 晶體表面擴(kuò)散比晶界擴(kuò)散還要快。晶體表面擴(kuò)散比晶界擴(kuò)散還要快。在實(shí)際在實(shí)際生產(chǎn)中這幾種擴(kuò)散同時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)中這幾種擴(kuò)散同時(shí)進(jìn)行, ,并且在溫度較低時(shí)并且在溫度較低時(shí), ,所起的作所起的作用更大。用更大。醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 化學(xué)成分的影響表現(xiàn)在以下三方面：化學(xué)成分的影響表現(xiàn)在以下三方面： (1)(1) D D的大小與組元特性有關(guān)。不同金屬自擴(kuò)散的大小與組元特性有關(guān)。不同金

40、屬自擴(kuò)散Q Q與其點(diǎn)與其點(diǎn)陣中原子結(jié)合力有關(guān)。如陣中原子結(jié)合力有關(guān)。如TmTm高，高，Q Q也大也大 (2)(2) D D與溶質(zhì)濃度有關(guān)。與溶質(zhì)濃度有關(guān)。D D與關(guān)系由與關(guān)系由4.254.25式（式（P128P128）決定。）決定。 (3)(3) 第三組元第三組元( (或雜質(zhì)或雜質(zhì)) )對(duì)二元合金擴(kuò)散也有影響對(duì)二元合金擴(kuò)散也有影響, ,但很但很復(fù)雜。有些使復(fù)雜。有些使D D升高升高, ,有的使有的使D D下降下降, ,有的不起作用。有的不起作用。 (1) (1) 碳化物形成元素：如碳化物形成元素：如W W、MoMo、CrCr等等 使使D D下降。下降。 (2) (2) 非碳化物形成元素，但易溶

41、于碳化物，如非碳化物形成元素，但易溶于碳化物，如Mn Mn 對(duì)對(duì)D D 影響不大影響不大 (3)(3) 非碳化物形成元素，但能溶于非碳化物形成元素，但能溶于FeFe中元素影響不同。中元素影響不同。CoCo、NiNi等使等使D D升高，升高，SiSi等使等使D D下降。下降。 醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)(1)(1) 合金內(nèi)存在應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)力提合金內(nèi)存在應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)力提 供驅(qū)動(dòng)力供驅(qū)動(dòng)力F F。應(yīng)力升高、。應(yīng)力升高、F F升高。升高。 V=BF VV=BF V升高升高 (2)(2) 外界施加應(yīng)力外界施加應(yīng)力, ,在合金中產(chǎn)生在合金中產(chǎn)生彈性應(yīng)力梯度彈性應(yīng)力梯度, ,促進(jìn)原子遷移

42、。促進(jìn)原子遷移。 具有磁性轉(zhuǎn)變的金屬在鐵磁性狀具有磁性轉(zhuǎn)變的金屬在鐵磁性狀態(tài)下的比順磁性狀態(tài)下擴(kuò)散慢態(tài)下的比順磁性狀態(tài)下擴(kuò)散慢,D,D小一些。小一些。醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)4.7.1 4.7.1 根據(jù)擴(kuò)散過(guò)程中是否發(fā)生濃度變化分類根據(jù)擴(kuò)散過(guò)程中是否發(fā)生濃度變化分類: : ：純物質(zhì)晶體中：純物質(zhì)晶體中的擴(kuò)散。自擴(kuò)散在擴(kuò)散過(guò)程中不伴有濃度變化的擴(kuò)的擴(kuò)散。自擴(kuò)散在擴(kuò)散過(guò)程中不伴有濃度變化的擴(kuò)散散, ,與濃度梯度（與濃度梯度（concentration gradientdconcentration gradientd）（d/dxd/dx）無(wú)關(guān)）無(wú)關(guān), ,與熱振動(dòng)有關(guān)。自擴(kuò)散

43、只發(fā)生在與熱振動(dòng)有關(guān)。自擴(kuò)散只發(fā)生在純金屬和均勻固溶體中。純金屬和均勻固溶體中。 例如例如: :純金屬晶粒長(zhǎng)大過(guò)程；均勻溶體的晶粒長(zhǎng)純金屬晶粒長(zhǎng)大過(guò)程；均勻溶體的晶粒長(zhǎng)大大 伴有濃度變化伴有濃度變化的擴(kuò)散?；U(kuò)散與異類原子的濃度差有關(guān)的擴(kuò)散。互擴(kuò)散與異類原子的濃度差有關(guān), ,是異類是異類原子的相對(duì)擴(kuò)散、相互滲透。原子的相對(duì)擴(kuò)散、相互滲透。 例如例如: :化學(xué)熱處理；材料成分均勻化化學(xué)熱處理；材料成分均勻化醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 沿濃度降低方向沿濃度降低方向進(jìn)行的擴(kuò)散進(jìn)行的擴(kuò)散, ,擴(kuò)散使?jié)舛融厔?shì)與均勻化。擴(kuò)散使?jié)舛融厔?shì)與均勻化。 例如例如: :均勻化退火均勻化退火

44、、化學(xué)熱處理、化學(xué)熱處理 沿濃度升高方向進(jìn)行沿濃度升高方向進(jìn)行的擴(kuò)散的擴(kuò)散, ,擴(kuò)散使?jié)舛劝l(fā)生兩極分化。上坡擴(kuò)散的一些情況：擴(kuò)散使?jié)舛劝l(fā)生兩極分化。上坡擴(kuò)散的一些情況： (1) (1) 彈性應(yīng)力作用。通過(guò)上坡擴(kuò)散彈性應(yīng)力作用。通過(guò)上坡擴(kuò)散, ,降低由于彈性降低由于彈性變形增加的能量。變形增加的能量。 (2) (2) 晶界內(nèi)吸附。降低整個(gè)體系自由能。晶界內(nèi)吸附。降低整個(gè)體系自由能。 (3) (3) 化學(xué)位不同。這是最主要的因素?；瘜W(xué)位不同。這是最主要的因素。 (4) (4) 形成化合物。如形成化合物。如FeFe3 3C C形成。形成。 (5) (5) 特殊環(huán)境特殊環(huán)境, ,如強(qiáng)大的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫

45、度場(chǎng)作用如強(qiáng)大的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)作用下下, ,原子按一定方向遷移。原子按一定方向遷移。 例如例如: :液態(tài)合金的共晶轉(zhuǎn)交；固溶體的共析轉(zhuǎn)交；固溶液態(tài)合金的共晶轉(zhuǎn)交；固溶體的共析轉(zhuǎn)交；固溶體中新相析出及新相長(zhǎng)大。體中新相析出及新相長(zhǎng)大。醫(yī)學(xué)上海交通大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散時(shí)晶格不變擴(kuò)散時(shí)晶格不變, ,無(wú)新相產(chǎn)生。無(wú)新相產(chǎn)生。 當(dāng)當(dāng)某種元素?cái)U(kuò)散某種元素?cái)U(kuò)散, ,其濃度超過(guò)基體金屬的溶解度極限而形成新其濃度超過(guò)基體金屬的溶解度極限而形成新相的過(guò)程。反應(yīng)擴(kuò)散生成的新相與原來(lái)的基體相之間存在相的過(guò)程。反應(yīng)擴(kuò)散生成的新相與原來(lái)的基體相之間存在明顯的觀察面明顯的觀察面, ,新相可以是中間相新相可以是中間相, ,也可以是固溶體。反應(yīng)也可以是固溶體。反應(yīng)擴(kuò)散可以參考平衡相圖分析形成的新相。擴(kuò)散可以參考平衡相圖分析形成的新相。 例如：純鐵在例如：純鐵在520520C C氮化時(shí)可由氮化時(shí)可由FeNFeN相圖分析形成新相圖分析形成新相相,WN,WN變化變化, ,形成新相不同。見(jiàn)圖形成新相不同。見(jiàn)圖4.194.19（P157P157） 相：相：N N在在 FeFe中的間隙固溶體中的間隙固溶體 WN 0.11%WN 0.11% 相：以相：以FeFe4 4N N為基的固溶體為