第12讲扩散机制以及影响扩散因素、扩散驱动力
影响扩散的因素
影响扩散的因素1.温度升高，扩散原子获得能量超越势垒几率增大，且空位浓度增大，有利扩散。
2.原子结合键越弱，Q越小，D越大。
3.在间隙固溶体中，扩散激活能较小，原子扩散较快；在置换固溶体中扩散激活能比间隙扩散大得多。
4.晶体的致密度越高，原子扩散时的路径越窄，产生的晶格畸变越大，同时原子结合能也越大，使得扩散激活能越大，扩散系数减小。
5.晶粒尺寸越小，金属的晶界面积越多，晶界扩散对扩散系数的贡献就越大。
6.晶体中的位错对扩散也有促进作用7.化学成分影响：若增加浓度能使原子的Q减小，而D0增加，则D增大。
晶粒大小对材料强度和塑性的影响材料晶粒越细，室温强度越高，塑性越好，称为细晶强化。
位错理论解释材料晶粒越细，强度越高，塑性越好。
在外加切应力作用下，位错沿着某个滑移面运动，当位错运动至晶界受阻，便塞积起来，产生了应力集中。
由于粗品粒晶界塞积的位锗数多，产生的应力集中较大，更容易使相邻晶粒的位错源开动，即在较低的外力下就开始塑性交形，因而粗品粒的屈服强度较低。
比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料在结合键上的差别及用途。
分析：工程上主要是根据固体中结合键的特点或本性进行分类的，不同的材料有不同的用途。
解题：简单金属的结合键完全为金属键，过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合，但以金属键为主。
陶瓷材料是由一种或多种金属同一种非金属（通常为氧）相结合的化合物，其主要结合方式为离子键，也有一定成文的共价键。
在高分子材料中，大分子内的原子之间结合方式为共价键，而大分子之间的结合为分子键。
复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的物质，因而其结合键非常复杂，不能一概而论。
金属材料应用面最广，其中有色金属的轻合金在航空工业中有着重要应用。
陶瓷材料有高的硬度、高的耐磨性、高的耐腐蚀性和高的抗氧化能力，但最大弱点是塑性极低，所以很少在常温下作为受力的结构材料，但作为耐温材料潜力很大。
高分子材料可分为工程塑料、橡胶和合成纤维。
扩散的微观机制和扩散路径
得多 D0·exp(-Q/kT）
3/22/2020
刘志勇
15
某些扩散系数D0和Q的近似值
3/22/2020
扩散元素
基体金属
C
γ-Fe
C
α-Fe
N
γ-Fe
N
α-Fe
Fe
α-Fe
Fe
γ-Fe
Ni
γ-Fe
Mn
γ-Fe
Cu
Al
Zn
Cu
Ag
Ag（晶内扩散）
Ag
Ag（晶界扩散）
D=(1/6)·ν·Z·P·Cv·d2
=(1/6)·ν·Z·d2·exp[(ΔS+ΔSv)/k]·exp[-(ΔE+ ΔEv)/kT）
（8）
由子（跃8迁）激式活可能知=△D，E0置两·换部e固分xp溶，[体-所(Δ中以E空置+位换Δ扩型E散溶v)激质/k活的T能扩）Q散包=激括活空能位比形间成隙能式△溶E质V和的原大
原子和空位的交换位置进
行扩散 3/22/2020
刘志勇
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Energy
扩散需要能量－扩散激活能
Substitutional (Vacancy)
Qv
Q i Interstitial
3/22/2020
刘志勇
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Activation energy of diffusion
1.Qi＜Qv, lower Q indicates easy diffusion 2.diffusion couple 3.diffusion data for selected materials （See Table）
3/22/Leabharlann 0202晶体点阵中的各种扩散途径
扩散原理PPT课件
扩散系数热力学 因子
对于理想混合体系，活度系数
D
* i
自扩散系数
i 1 D i D i*RT i B
；
Di组分i的分扩散系数，或本征扩散系数
.
16
讨论：
(1)扩散 外界条件：u/ x的存在
Di 代表了质点的性质，如 半径 、电荷数、极化性能等
基质结构：缺陷的多少；杂质的多少
1 Ln i
Jx＝－DCx
J x d xJ x ( J x ) d x D C x x ( D C x ) dx
x x+dx
x
净 增 JJ x ＋ 量 d xJ x x(DC x)dx
J(DC) x x x
又JCC(DC)D2C x t t x x x2
三维表C 达 D (式 2C为 .2C ： 2C)
缺陷的多少
(3) 稳定扩散(恒源扩散)
不稳定扩散
C
C
C
J
C/ x=常数
C/ t0
J/ x 0
t
x
.
t
8
x
三维表达式：
J＝ iJx
jJy
kJz
D(iC j CkC) x y z
用途：
可直接用于求解扩散质点浓度分布不随 时间变化的稳定扩散问题。
.
9
二、 Fick第II定律
推导：取一体积元，分析x→x＋dx间质点数 在单位时间内 x 方向的改变，即考虑两个相距为 dx 的平行平面。
散， 质点所受的力
推导D：
高u
Fi
ui x
Vi 低u Fi
对象：一体积元中 多组分中i 组分质点的扩散
i质点所受的力：
Fi
扩散过程及影响因素分析
扩散过程及影响因素分析扩散是一种物质、能量或信息从高浓度区域向低浓度区域传播的过程，是自然界和人类社会中普遍存在的现象。
了解扩散过程及其影响因素对于我们理解和应对各种现象和问题具有重要意义。
本文将首先介绍扩散的基本概念和过程，接着分析具体的影响因素，最后讨论扩散在日常生活和科学研究中的应用。
扩散的基本概念是指物质、能量或信息在自然界中由高浓度区域向低浓度区域传播的现象。
它是分子之间的相互作用力驱使分子运动，从而导致物质的扩散。
例如，在一个封闭的房间中，当我们在一侧喷洒香水时，香味会逐渐弥漫到整个房间。
这就是由于香水分子在高浓度区域逐渐向低浓度区域扩散。
扩散过程包括两个主要阶段：混合和传输。
混合是指在高浓度区域和低浓度区域之间存在浓度差异，分子在这个过程中通过相互碰撞和交换能量和物质来实现。
传输是指通过分子的运动和扩散来使得物质从高浓度区域向低浓度区域运动。
扩散速度由多种因素决定，包括浓度差异、温度、压力、分子质量、扩散介质等。
浓度差异是扩散过程中最主要的驱动力之一。
浓度差异越大，扩散速度越快。
例如，在两个相交的单通道管道中，如果两个管道中的浓度不同，液体将会从浓度较高的一侧向浓度较低的一侧扩散。
这是因为浓度差使得分子的碰撞频率增加，进而促进了扩散。
温度对扩散速率，和分子运动的速度有着密切的关系。
温度越高，分子的平均能量越大，分子的运动速度也越快。
快速的分子运动会导致更频繁的碰撞和更远的传输距离，从而加快了扩散过程。
例如，在室温下加热一杯热水，我们会观察到水蒸气的扩散速度增加，使整个房间中充满了水蒸气。
压力是扩散过程中另一个重要的因素。
压力越高，分子的平均自由路径越小。
因此，在高压区域，分子之间碰撞的可能性更大，扩散速度也会增加。
分子质量是影响扩散速度的因素之一。
质量较小的分子通常比质量较大的分子具有更高的速度和更长的平均自由路径。
因此，质量较小的分子往往扩散得更快。
例如，氧气的分子质量比二氧化碳的分子质量小，因此氧气在空气中的扩散速度比二氧化碳快。
材科基考点强化(第12讲 固态相变)
一、固态转变基本类型由于金属（合金）的结构和组织在固态下可以进行多种多样的形势转变，因此具有性能方面的多变性。
包括同素异形转变、脱溶、有序化转变等等，甚至回复、再结晶也属于固态转变。
分类：①扩散型相变；②非扩散型相变（切变型）；③过渡型相变。
例1（名词解释）：调幅分解例2（名词解释）：一级相变、二级相变二、固态相变一般特点固态相变大多数为形核和生长的方式，由于此过程是在固态中进行，原子扩散速率甚低，且因新、旧相的比体积不同，其形核和生长不仅有界面能，还有因比体积差而产生的应变能，故固态相变往往不能达到平衡状态，而是通过非平衡转变形成亚稳相，且因形成时条件的不同，可能有不同的过渡相。
固态相变形成的亚稳相类型有多种，如固溶体脱溶产物、马氏体和贝氏体等。
固态相变要走转变阻力小、做功少的道路。
考点1：固态转变驱动力新旧两相自由能之差；阻力：新旧两相产生相界面引起界面自由能升高；新旧两相间因为比容不同导致的畸变能。
例：固态相变中，应变能产生的原因分析。
考点2：形核特点①非均匀形核；②核心的取向关系；③共格界面与半共格界面。
考点3：成长特点①惯习现象；②共格成长与非共格成长；③存在脱溶贯序。
例1（名词解释）惯习现象例2（名词解释）：脱溶贯序考点4：新生组织形态应变能主导时优先形成饼状、圆片状；其次是针状；最后是球状。
界面能主导时，优先形成球状、其次是针状、最后是片状。
P.S. 脱溶基本完成后，新相、母相基本达到平衡浓度、再延长时间或者提高温度会发生新相聚集长大和形貌转化。
界面能主导：小粒子溶解、大粒子生长，半径越来越大，Δp=2σ/r （压应力）变小，脱溶相变稳定，向球形转变，脱溶相弯处向平处扩散；应变能主导：球状→立方状→棒状片状→编织组织。
例1：例题根据如图所示的析出物能够得到何种结论？例2：固态相变与液—固相变在形核、长大规律方面有何特点？分析这些特点对所形成的组织会产生什么影响？考点5：过渡相所谓过渡相是指成分或结构或两者都处于新旧相之间的一种亚稳态相。
论扩散过程的影响因素及控制技术
△G 称为扩散活化能。其大小除了与温度有关外，还 取决于粒子在晶体中的境遇和粒子的迁移方式。
晶体中粒子迁移的方式，即扩散机制，有五种：
(a)易位扩散
(b)环形扩散 (c)间隙扩散 (d)准间隙扩散 (e)空位扩散
上述粒子扩散完全是由热振动引起的无序的、向任意 方向的迁移。要形成定向的扩散，必须有推动力，而 推动力一般就是浓度梯度。
二影响扩散过程的因素?温度和压力?材料的结构?组元特性和化学成分?结构缺陷扩散是一个基本的动力学过程对材料制备加工中的性能变化及显微结构形成以及材料使用过程中性能衰减起着决定性的作用对相应过程的控制往往从影响扩散速度的因素入手来控制
论扩散过程的影响因 素及控制技术
组员：罗来雁 汪子亦 张亚丹
一、固体扩散机构
对于固体扩散，固体中的粒子迁移必须克服一定的势 垒△Gm，原子跳动频率对温度T十分敏感，T越高原 子平均动能越大，能跳入临近间隙位置的几率增大， 因此高的温度有助于扩散进行。 扩散系数是决定扩散速度的重要参量：
Q D D0 exp( ) RT
从数学关系上看，扩散系数主要决定于温度，显于 函数关系中，其他一些因素则隐含于D0和Q中。
三、扩散过程的控制技术
利用杂质对扩散的影响是人们改善扩散的主要途 径。一般而言，高价阳离子的引入可造成晶格中出 现阳离子空位和造成晶格畸变，从而使阳离子扩散 系数增大。且当杂质含量增加，非本征扩散与本征 扩散温度转折点升高。 反之，若杂质原子与结构中部分空位发生缔合， 往往会使结构中总空位增加而有利于扩散。
组元特性和化学成分的影响
原子之间的结合键力越强，通常对应材料的熔点也越高， 激活能较大，扩散系数较小。材料的成分不同，即组成材料 的元素和比例不同，不同原子之间结合键能不一样，成分的 变化也影响不同类型结合键的相对数量，所以材料的成分变 化带来的影响有： （1）结合键能的不同，一种元素的数量(成分比例)可能改 变自己或其他元素的化学位，从而影响扩散的速度，甚至方 向； （2）空位扩散(置换原子)通量决定于互扩散系数，互扩散 系数本身就是各组元成分的函数。
扩散现象在化学反应动力学中的作用
扩散现象在化学反应动力学中的作用化学反应动力学研究的是反应速率及其影响因素，而扩散现象在化学反应动力学中扮演着重要的角色。
扩散是物质分子或离子由高浓度区域向低浓度区域传输的过程，它决定了反应物在反应混合体系中的分布以及反应速率的大小。
本文将详细探讨扩散现象在化学反应动力学中的作用，包括影响扩散的因素以及扩散对动力学参数的影响。
一、影响扩散的因素1.浓度差异：浓度差越大，扩散速率越快。
浓度差是驱动扩散的主要力量之一，它导致了反应物的从高浓度区域到低浓度区域的传输。
2.温度：温度升高可以增加分子的热运动速度，使分子更容易跨越势垒，促进了扩散过程的发生。
3.分子大小和形状：分子越小，越容易扩散。
此外，长而扁平的分子相对于球形分子来说，扩散速率也更快。
4.溶液的性质：溶液的浓度、粘度、温度和溶质与溶剂之间的相互作用等因素都会影响扩散速率。
二、扩散对动力学参数的影响1.影响反应速率：在反应物较为稀释的情况下，扩散过程是决定反应速率的关键因素之一。
反应物分子在扩散中相互遇到，才能发生反应。
因此，如果扩散速率较慢，反应物分子的碰撞频率就会降低，从而减慢反应速率。
2.促进反应平衡的达成：扩散可以帮助反应物分子在反应混合物中均匀分布，提高反应物分子的浓度。
这有助于有效地传递反应物之间的能量，促进反应的进行，最终达到平衡态。
3.影响反应机理：扩散可以改变反应物分子之间的相对位置和排列方式，从而对反应机理产生影响。
在空间上的限制和分子间的相互作用可能会导致反应途径的改变，进而影响反应的速率和产物的选择性。
4.催化剂作用：扩散对于催化剂的性能具有重要影响。
催化剂通常需要与反应物接触才能发挥催化作用，而扩散过程决定了催化剂与反应物分子之间的相互作用频率。
因此，扩散过程对于催化剂的有效性和选择性起到至关重要的作用。
三、扩散现象在化学反应动力学中的研究方法1.测定扩散系数：测定扩散系数是研究扩散现象的一种重要方法。
通过测定标准试样中溶质的浓度分布随时间的变化，可以计算出扩散系数，进而评估扩散速率。
扩散原理及基本知识
扩散基本知识一、半导体基本知识太阳电池是用半导体材料硅做成的。
容易导电的是导体，不易导电的是绝缘体，即不像导体那样容易导电又不像绝缘体那样不容易导电的物体叫半导体，譬如：锗、硅、砷化缘等。
世界上的物体都是由原子构成的，从原子排列的形式来看，可以把物体分成2大类，晶体和非晶体。
晶体通常都有特殊的外形，它内部的原子按照一定的规律整齐地排列着；非晶体内部原子排列乱七八糟，没有规则；大多数半导体都是晶体。
半导体材料硅是原子共价晶体，在晶体中，相邻原子之间是以共用电子结合起来的。
硅是第四族元素，硅原子的电子层结构为2、8、4，它的最外层的四个电子是价电子。
因此每个硅原子又分别与相邻的四个原子形成四个共价键，每个共价键都是相邻的两个原子分别提供一个价电子所组成的。
如果硅晶体纯度很高，不含别的杂质元素，而且晶体结构很完美，没有缺陷，这种半导体叫本征半导体，而且是单晶体。
而多晶体是由许多小晶粒聚合起来组成的，每一晶体又由许多原子构成。
原子在每一晶粒中作有规则的整齐排列，各个晶粒中原子的排列方式都是相同的。
但在一块晶体中，各个晶粒的取向（方向）彼此不同，晶粒与晶粒之间并没有按照一定的规则排列，所以总的来看，原子的排列是杂乱无章的，这样的晶体，我们叫它多晶体。
半导体有很特别的性质：导电能力在不同的情况下会有非常大的差别。
光照、温度变化、适当掺杂都会使半导体的导电能力显著增强，尤其利用掺杂的方法可以制造出五花八门的半导体器件。
但掺杂是有选择的，只有加入一定种类和数量的杂质才能符合我们的要求。
我们重点看一下硼和磷这两种杂质元素。
硼是第三族主族元素，硼原子的电子层结构为2、3，由于硼原子的最外电子层只有三个电子，比硅原子缺少一个最外层电子，因此当硼原子的三个最外层价电子与周围最邻近的三个硅原子的价电子结合成共价键时，在与第四个最邻近的硅原子方向留下一个空位。
这个空位叫空穴，它可以接受从邻近硅原子上跳来的电子，形成电子的流动，参与导电。
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第十二讲扩散机制以及影响扩散因素、扩散驱动力
1.空位扩散与间隙扩散
考点再现：10年以填空的形式考察了间隙扩散和空位扩散两种金属晶体的扩散机制，对于自扩散的定义在08年以前的考试中出现过。
考试要求：对定义的记忆，这一部分今年是可能出填空或者名词解释题的。
知识点
金属晶体的扩散机制由（间隙扩散）和（空位扩散）。
★★★
间隙扩散：指小尺寸的原子在金属晶体内的扩散，间隙原子从一个八面体间隙运动到临近八面体间隙的过程。
★★
空位扩散：晶格结点某处原子空缺时，相邻原子可能跃迁到此空穴位置，月前后又留下新的空穴，原子的这种扩散运动方式叫做空位扩散。
★★
自扩散：当晶体内完全是同类原子时，原子在纯材料中的扩散称为自扩散。
★★★★
扩散系数表达式★★★
2.柯肯达尔效应
考点再现：唯一的考点，柯肯达尔效应，09年出现过，10年没有考，11考考的可能性极大，大家要充分重视。
考试要求：在理解的基础上记忆，不知道在这个方面会不会增加难度，如果增加难度，比如说给大家一个实际的问题或者现象，让大家解释原因或者原理，大家不要忘记柯肯达尔效应，对于扩散方面能够解决很多的问题。
知识点
柯肯达尔效应的理解，举例说明柯肯达尔效应。
★★★★★
黄铜内流出的Zn原子多，铜盒中Cu原子流入黄铜内较少，Zn和Cu原子两者的扩散速度不一样，使Mo丝的间距发生变化。
由于界面两侧的两种原子，在互相扩散到对方的基体中，当其扩散速率不相等时，会发生原始界面的移动，界面移向原始扩散速度较大的一边，这种效应称为柯肯达尔效应。
以上的部分是对于柯肯达尔效应的题目的标准的答法，是命题教师知道我们做出的，所以大家要在理解的基础上对其进行记忆，而且尽量按照上面的内容来答。
3.影响扩散的因素与扩散驱动力
考点再现：10年简答题出现了影响激活能的主要因素，影响扩散的因素在08年之前也出现过，这一部分的内容非常适合出填空题，所以大家要重视。
考试要求：这一部分大家记忆即可，但是如果是出简答题，就要求我们知道更多的信息，多答一些内容，将每一个小点加以扩充了。
知识点
影响扩散的因素：扩散系数D0，扩散激活能Q，温度T。
★★★★
要解释一下各个因素是如何影响扩散的
扩散系数越大，越有利于扩散
扩散激活能越低，愈有利于扩散，温度越高，越有利于扩散
影响激活能Q的主要因素：★★★
（1）扩散机制（间隙扩散与空位扩散）
（2）晶体结构（面心立方，体心立方，密排六方）
（3）原子结合力（结合力强，扩散激活能高）
（4）合金成分（合金原始使熔点升高或降低）
扩散的驱动力：化学位梯度，所以可以发生上坡扩散。
★★★
4.冷变形金属的组织与性能
考点再现：形变织构的以名词解释的形式出现在10年的考试中，残余应力也在08年考过名词解释，其他的部分还没有出现在考研试题上，但是对于冷变形金属的力学性能这种考点来说，这应当算作是一个常识，是每个学金属的学生必须知道的东西。
考试要求：形变织构，纤维组织，残余应力的概念的记忆，对于变形性能的理解。
知识点
形变强化使强度（提高），塑性（降低）。
★★★
冷变形金属力学性能★★★
要求图的理解：随着变形的增加，金属的屈服强度和抗拉强度在不断地提高，特别是屈服强度升高的很快，导致屈强比增大，塑性降低。
纤维组织：等轴晶经过拉拔和冷轧之后，晶粒沿着拉拔和轧制方向伸长，当变形量很大时，晶界变得模糊不清，这就是纤维组织，另外，金属中含第二项时，夹杂物也呈条带状分布，也叫做纤维组织。
★★★
纤维组织存在各项异性。
形变织构：金属在形变时，晶体的滑移面会转动，使滑移层逐渐转向与拉力轴平行。
由于各个晶粒的某个相同的滑移系，在变形量较大时都逐渐转向于拉力轴平行，也就是说，原来的各个晶粒是任意取向的，现在由于晶粒的转动使各晶粒的取向趋于一致，这就形成了晶体的择优取向。
★★★★
残余应力：金属冷变形时，由于各部分变形程度的不同，变形后在金属内部残留的应力。
残余应力分类：宏观应力和显微应力。
★★★
同学们，以上就是第十二讲的主要内容，最重要的考点是柯肯达尔效应的理解，其他考点还有影响扩散的因素，扩散激活能的影响因素等，金属的扩散机制也是重要内容，好了这一讲就到这里。
敬请关注天津大学材料学院金属专业研究生入学考试专业课金属材料科学基础
第十三讲金属变形、弹性变形、滑移挛晶变形。