材科基固体原子分子运动思维导图
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思维导图大纲
材科基固体原子分子运动思维导图思维导图模板大纲
概述分类
扩散是原子或分子由于热运动从一个位置不断地迁移到 另一个位置的过程
按浓度均匀程度分
互扩散
有浓度差的扩散
自扩散
没有浓度差的扩散
按扩散方向
顺扩散，又称下坡扩散：由高浓度区向低浓度区的扩散
逆扩散，又称上坡扩散：由低浓度区向高浓度区的扩散
按原子的扩散方式
体扩散：在晶粒内部进行的扩散
表面扩散：在表面进行的扩散
晶界扩散：沿晶界进行的扩散。
扩散的原子理论
扩散机制
交换机制(活化能最大)
直接换位：两个相邻原子互换
环形换位：四个原子同时交换
间隙机制
原子从一个晶格中间隙位置迁移到另一个间隙位置。
空位机制
置换式固溶体中，依靠溶质原子与空位交换位置进行扩散 方式：原子跃迁到与之相邻的空位； 条件：原子近旁存在空位。
柯肯达尔效应大多数情况下借 助空位机制扩散
空位扩散所需活化能最小。因而空位扩散是最常见的扩散机理，其次是间隙扩散。
界面扩散及表面扩散
晶体内扩散，DL
晶界扩散，DB
DL<DB<DS
样品自由表面扩散，DS
原子跳跃和扩散系数
跳跃频率
d为两晶面间距；p几率
扩散系数D和扩散激活能Q
间隙型扩散和空位型扩散
表面理论
Fick第一定律
J：扩散通量，单位Kg/(m2s)D：扩散系数，单位： m2/s
负号表明扩散通量的方向与浓度梯度方向相反
菲克第一扩散定律表示在稳态扩散的情况下
扩散通量的大小与浓度梯度 成正比，扩散的方向与浓度梯度的正方向相反，扩散 的宏观流动总是从溶质浓度高的向浓度低的方向进行
Fick第二定律
非稳态扩散过程，某一点的浓度随时间变化，即dρ/dt≠0
三维情况
扩散方程的解
稳态扩散方程直接使用
误差函数的定义和性质
质量浓度ρ随距离x和时间t变化的解析式
若焊接面右侧的原始质量浓度ρ1为0
一端成分不受扩散影响的扩散体（表面热处理过程）
渗碳等表面热处理过程可视为半无限长的扩散体
衰减薄膜源—表面沉积过程
M为扩散物质的单位面积质量。保证高斯解有足 够精度的条件是：t>w2/2D
如果在金属B棒一端沉积扩散物质A，经扩散退火后，其质 量浓度为上述扩散偶的2倍
成分偏析的均匀化
置换型固溶体中的扩散
Kirkendall效应:在置换式二元合金和其中一组元组成扩散偶互相扩散时，当两组元扩散速率不等时，会发生原始界面的移动，界面移向原子扩散速率较大的一方
DarKen（达肯）公式
扩散距离与时间平方根成正比
无规则行走与扩散距离
原子可向各个方向随机地跳跃 ， 是一种无规则行走
影响扩散的因素
温度
温度是影响扩散速率的最主要因素。温度↑，原子热激活能量↑，越易发生迁移，扩散系数↑。
固溶体类型
间隙固溶体中溶质原子的扩散激活能一般都比置换固溶体的溶质原子小，扩散速度比置换型溶质原子快得多。置换式固溶体中空位数越多，扩散越易进行。
在获得同样厚度的渗层时，渗C，N比渗Cr或Al等金属的周期短。
晶体结构
在致密度大的晶体结构中的扩散系数，都比致密度小的晶 体结构中的扩散系数要小，致密度越小，原子越易迁移。
α-Fe的自扩散系数大约是γ-Fe的240倍
结构不同的固溶体由于对扩散元素的固溶度不同以及由此所引起的浓度梯度差别，将影响扩散速度。
晶体缺陷
晶界、表面和位错等对扩散起着快速通道的作用，这是由于晶体缺陷处点阵畸变较大，原子处于较高的能量状态，易于跳跃，故各种缺陷处的扩散激活能均比晶内扩散激活能小，加快了原子的扩散。
化学成分
不同金属的自扩散激活能与其点阵的原子间结合力相关。
扩散系数与组元特性
第三组元可提高也可能降低扩散速率
应力的作用
内部应力梯度会提供原子扩散驱动力，即使成分均匀，也可能出现化学扩散现象
外部应力使合金中产生弹性应力梯度，也会促进原子向晶体点阵伸长部分迁移，产生扩散。
反应扩散
概念
在扩散中由于成分的变化，通过化学反应而伴随着新相的形成(或称有相变发生)的扩散过程称为“反应扩散”，也称为“相变扩散”。
特例
钢材热浸镀锌
钢铁渗氮（520℃）
钢铁渗碳850℃
周期性层片结构
分支主题 7
扩散的热力学分析
扩散驱动力
只要存在化学势差就能产生扩散，直至化学势差为0，负号表示驱动力与化学势降低方向一致
扩散的驱动力并不是浓度梯 度 ，而应是化学势梯度
原子的扩散平均速度
扩散的热力学因子(组元i的扩散系数)
决定组元扩散的基本因素是化学势梯度，其结果总是导致扩散组元化学势梯度的减小，直至化学势梯度为零
其它因素引起的上坡扩散
弹性应力的作用
晶界的内吸附
大的电场或温度场
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