第8章 扩散
8-第八章扩散详解
向一致
注意： （1）关系式并不涉及扩散系统内部原子 运动的微观过程。 （2）适用于扩散系统的任何位置和扩散 过程的任一时刻。
4、扩散第二定律
通常的扩散过程大都是非稳态扩散
1）一维扩散 A x, J x 和 J xx 分 在扩散方向上取体积元 Ax, J ， x 别表示流入体积元及从体积元流出的扩散通量， 则在Δt时间内，体积元中扩散物质的积累量为
C C (D ) t x x
C C D 2 t x
2
5、扩散方程的应用
（一）一维稳态扩散
（二）不稳态扩散
5、扩散方程的应用
对于扩散的实际问题，一般要求出穿过某一
曲面（如平面、柱面、球面等）的通量J，单位
时间通过该面的物质量dm/dt=AJ，以及浓度分
布c(x,t)，为此需要分别求解菲克第一定律及菲
存在着热起伏iiuixfx????组分的质点沿方向扩散受到的应力iibbiiufx????i相应的质点运动平均速率vii组分质点的平均速率或淌度iijcii组分的扩散通量viiiiiicjcbcbcxiiuux????????iicjdx???iiiiiicbcblnciiiudu??????iiiibblnclnniiiuud?????iicnlncidn?idlnc00iilnlnlnln1lnnlnln1lniiiiiiiiiiiitprtrtnurtndrtbn??????????????????????扩散系数的热力学因子判断扩散类型的特征项ln100lniiidn??????ln100lniiidn??????由低浓度区向高浓度区的扩散逆扩散上坡扩散偏聚由高浓度区向低浓度区的扩散顺扩散下坡扩散均匀化22扩散系数扩散的动力学方程将宏观的扩散系数与质点的微观运动联系起来
第八章扩散
扩散现象和本质
图8-3 对称和倾斜的势能曲线
扩散现象和本质
呈正弦波形变化（图8-12b）。
扩散应用举例
（一）铸锭（件）的均匀化退火
图8-12 铸锭中的枝晶偏析a）及溶质 原子在枝晶二次轴之间的浓度分布b）
扩散应用举例
（二）金属的粘接
1.
钎焊是连接金属的一
种方法。钎焊时，先将零
件（母材）搭接好，将钎
料安放在母材的间隙内或
间隙旁（图8-13），然后
将它们一起加热到稍高于
三、固态金属扩散的条件
扩散过程都是在扩散驱动力作用下进行的，如 果没有扩散驱动力，也就不可能发生扩散。墨水向 周围水中的扩散，锡向钢表面层中的扩散，其扩散 过程都是沿着浓度降低的方向进行，使浓度趋于均 匀化。相反，有些杂质原子向晶界的偏聚，使晶界 上的杂质浓度要比晶内高几倍至几十倍，又如共析 转变和过饱和固溶体的分解，扩散过程却是沿着浓 度升高的方向进行。可见，浓度梯度并不是导致扩 散的本质原因。
扩散现象和本质
应当指出，固态扩散是大量原子无序跃迁的统计 结果。在晶体的周期势场中，原子向各个方向跃迁的 几率相等，这就引不起物质传输的宏观扩散效果。如 果晶体周期场的势能曲线是倾斜的（图8-3），那么
原子自左向右跃迁的激活能为Q，而自右向左的激活 能在数值上为Q+ΔG（图8-3c）。这样一来，原子向
固态金属扩散的条件
（一）扩散要有驱动力
从热力学来看，在等温等压条件下，不管浓度 梯度如何，组元原子总是从化学位高的地方自发地 迁移到化学位低的地方，以降低系统的自由能。只 有当每种组元的化学位在系统中各点都相等时，才 达到动态平衡，宏观上再看不到物质的转移。当浓 度梯度与化学位梯度方向一致时，溶质原子就会从 高浓度地区向低浓度地区迁移；相反，当浓度梯度 与化学位梯度不一致时，溶质原子就会朝浓度梯度 相反的方向迁移。可见，扩散的驱动力不是浓度梯 度，而是化学位梯度。
第八章扩散.doc
第八章扩散(一）填空1.扩散系数D的物理意义是_____________________________。
2.菲克第一定律的数学表达式为___________________________。
3.菲克第二定律的数学表达式为_______________。
4.扩散系数与温度之间关系的表达式是_______________。
5.上坡扩散是指_______________。
下坡扩散是指______________________________。
反应扩散是____________________________ 原子扩散是_____________________________6.扩散通量为____________________________________（）判断题(二)选择题1．菲克第一定律描述了稳态扩散的特征，即浓度不随( )变化A 距离B 时间C 温度2.原子扩散的驱动力是( )A 组元的浓度梯度B 组元的化学势梯度C 温度梯度（三）问答题1 何谓扩散，固态扩散有哪些种类?2 何谓上坡扩散和下坡扩散?试举几个实例说明之。
3 扩散系数的物理意义是什么?影响因素有哪些？4 固态金属中要发生扩散必须满足哪些条件。
5 铸造合金均匀化退火前的冷塑性变形对均匀化过程有何影响?是加速还是减缓? 为什么。
6 巳知铜在铝中的扩散常数D0＝0.84×10-5m2／s，Q＝136×103J／mol，试计算在477℃和497℃时铜在铝中的扩散系数。
7 有一铝—铜合金铸锭，内部存在枝晶偏析，二次枝晶轴间距为0．01cm，试计算该铸锭在477℃和497℃均匀化退火时使成分偏析振幅降低到1％所需的保温时间。
8 可否用铅代替铅锡合金作对铁进行钎焊的材料，试分析说明之。
9 铜的熔点为1083℃，银的熔点为962℃，若将质量相同的一块纯铜板和一块纯银板紧密地压合在一起，置于900℃炉中长期加热，问将出现什么样的变化，冷至室温后会得到什么样的组织(图8-37为Cu-Ag相图)。
第八章 扩散燃烧
8.2
高温壁面处
油滴的着火和燃烧
液滴和壁面碰撞，可能会出现两种情况：
壁温较低时，湿壁碰撞，液滴可以粘附在壁面上 壁温较高时，比湿润碰撞，超过了雷登弗罗斯特温度，出现闪瞬蒸发， 液滴脱离壁面 此外，若液滴接触壁面时有一定的速度，则根据韦伯数的不同来定义， 它代表惯性力和表面张力之比。 l du2
火焰面内R<r<rc,wO=0,bOT和T有一一对应的关系，因此T (1 R r ) c ( T T ) Q [( B 1 ) 1] 可有bOT推出 g 8-25b W 火焰面外rc<r<r∞,根据bFT的定义和火焰外没有燃料的特性， 即wF=0,推出 cg (Tc TW ) [Q H (wFW wFB )][(B 1)(1R r ) 1] HwFW 8-27 火焰面上，r=rc, cg (T TW） fwO (H Q wFR ) 8-28 cg (Tc TW ) 1 fwO wFR 成立的假设：
轴对称的空气雾化喷嘴上进行的 喷雾燃烧表明，整个火焰可大致 分为三个区域
最外侧的稳定火焰，可观察到火焰 群在闪光、熄灭 最内侧的A区有液滴存在 中间的B区几乎不存在液滴，只是 由A区供给的可燃气（主要是CO） 来燃烧 详细参数研究表明，并不是滴群中 每个油滴都被火焰包围，二是在接 近单纯蒸发的状态下汽化，燃料蒸 汽作为一个整体进行扩散燃烧，形 成喷雾火焰
设圆柱形自由射流的坐标如图所示，忽略体积力，假设物性 是常量且为定常流动的情况下，圆柱坐标系下的质量守恒方 程为： ru rv 0 x r
动量守恒方程： ru
u v u rv ( ) (r ) x r r r
组分守恒方程：ru wF rv wF ( DF D ) (r wF )
第8章_8_2 瞬时点源的对流和扩散
第8章环境流体中的物质输运u§8.1 物质的对流-扩散u§8.2 瞬时点源的对流和扩散u§8.3 连续点源的对流和扩散u§8.4 界面影响下的对流和扩散u§8.5 非保守物质的对流和扩散u§8.6 悬浮物的输运讨论：静止流体（stationary fluid ，u = v = w = 0).讨论：恒定均匀流体§8.2 瞬时点源的对流和扩散（Advection and diffusion of an instantaneous point release ）u （1）一维瞬时点源的扩散u （2）二维瞬时点源的扩散u （3）三维瞬时点源的扩散u （4）一维瞬时点源的对流和扩散u （5）二维瞬时点源的对流和扩散u （6）三维瞬时点源的对流和扩散u （7）应用实例（1）一维瞬时点源的扩散（1-D）分析x向一维系统（即，y和z向均匀）：u长而窄的管道内，流体静滞（u = v = w = 0）；u t=0时，在x=0处，瞬时释放质量为M的一片染料云.该云团在y-z平面均匀。
u一维瞬时点源扩散方程：（1）一维瞬时点源的扩散（1-D ）u 方程:Øt=0时x=0，瞬时释放质量M Ø初始u 解:M released at t = 0, x = 0.其中：Ayz 是y-z 断面的面积100,();()00x t c M x x x d d =ì==×=í¹î（2）二维瞬时点源的扩散（2-D ）l 宽阔的浅水箱，流体静滞（u = v = w = 0）；l t=0时，x=0，y=0处，瞬时释放质量M 的一段染料云.云团在z 向均匀。
初始浓度：u 解：方程：22112222&0,0x y C C C C D D t x t y øèø¶¶¶¶-=-=¶¶¶¶（3）三维瞬时点源的扩散（3-D ）u 方程:l t=0时，在x=0,y=0,z=0处，瞬时释放质量为M 的染料云l 初始浓度：u 解:222222z C D y C D x C D t C z y x ¶¶+¶¶+¶¶=¶¶（3）三维瞬时点源的扩散（3-D）u当扩散为各向同性（isotropic）时，Dx= Dy= Dz= D,方程：l t=0时，在x=0,y=0,z=0处，瞬时释放质量为M的染料云l初始浓度：u解:瞬时点源的扩散u瞬时点源的浓度分布：是以源释放点（最大浓度Cmax）为中心的指数衰减分布。
第八章 扩散
Kirkendall effect ：Cu-Zn合金焊合后在高温下扩散， Cu－Ni界面向Ni一侧移动的现象。
Q
扩散现象的本质：
大量原子不断克服原子之间 能垒，跃 迁到邻近位置，实现宏观的物质迁移过程。 阻 力：邻近原子间势能垒
驱动力：热振动原子的能量起伏
——与温度有关
二、 扩散的微观机制
1.空位扩散机制 —主要机制
二、 扩散的微观机制
2. 间隙扩散—小原子
在间隙固溶体中溶质原子的扩散是从一个间隙位置跳到 近邻的另一间隙位置，发生间隙扩散。
3. 换位扩散机制—难进行
三、扩散的分类
根据扩散生浓度变化，扩散过程快慢与浓度梯度无关。 常见于纯金属和均匀固溶体中。
图8-23 固体晶体中原子扩散途径 1-体扩散；2-表面扩散；3-晶 界扩散； 4-位错扩散
图8-24 银的体扩散、晶界扩散和表 面扩散系数D与温度T的关系
复习要点
基本概念 扩散通量、扩散系数、扩散激活能、空位扩散机制、 间隙扩散机制、柯肯达尔效应、扩散驱动力 菲克第一、第二定律的物理意义。
扩散方程的求解。
反应扩散
反应扩散的特点：在相界面处产生浓度突变。
四、金属固态扩散 的条件
1. 温度高→动力学条件
固态扩散是依靠原子热激活而进行的过程。温度越 高，原子的热振动越激烈，原子被激活而进行迁移的 几率就越大。固态扩散越易进行。
2. 时间长→宏观迁移动力学条件
固态金属扩散很慢，完成时间长。
3. 扩散原子要固溶→前提条件
概述
气、液 ： 对流、 扩散
物质传输方式：
固 ： 扩散 —— 唯一机制 一、 扩散定义与本质 定义： 物质中原子或分子通过无 规运动导致宏观迁移与传质的现象。
第八章 扩散与固相反应
= ui + RT ( LnN i + Lnγ i )
0
∂ui ∂Lnγ i ) ⇒ = RT (1 + ∂LnN i ∂LnN i
⇒ Di = Bi RT (1 + ∂Lnγ i ) ∂LnN i
Nerst-Einstein方程 方程 或扩散系数的一般热力学方程
理解：
∂ Ln γ 1+ ∂ LnN
∂ ln N i
情况下物质流将由高浓度处流向低浓度处， 情况下物质流将由高浓度处流向低浓度处，扩散的 结果使溶质趋于均匀化。 结果使溶质趋于均匀化。
∂ ln γ i ) < 0 时，Di＜0，称为反常扩散或逆扩散。 ②当 (1 + ，称为反常扩散或逆扩散。 ∂ ln N i
与上述情况相反，扩散结果使溶质偏聚或分相。 与上述情况相反，扩散结果使溶质偏聚或分相。
∆c ∆m ∝ A∆t ∆x
dm ∂c = −D Adt ∂x
∂c J = −D ∂x
→
J = −D ∇ C
→
J 扩散通量，单位时间通过单位截面的质点数(质点数 扩散通量，单位时间通过单位截面的质点数 质点数/s·cm2) 质点数 D 扩散系数，单位浓度梯度的扩散通量 (m2/s 或 cm2/s) 扩散系数， C 质点数/cm3 质点数 “－” 表示粒子从高浓度向低浓度扩散，即逆浓度梯度方向扩散 － 表示粒子从高浓度向低浓度扩散，
2 0 0
讨论： 讨论：
′ ′ （1）高T时，晶体结构中 NV >> N i NV ≈ NV ） 时 扩散为本征缺陷所控制，扩散系数为本征扩散系数 扩散为本征缺陷所控制，扩散系数为本征扩散系数
Q D = D 0 exp( − ) RT
无机材料科学基础第八章扩散
第7章扩散一、名词解释1．扩散：2．扩散系数与扩散通量：3．本征扩散与非本征扩散：4．自扩散与互扩散：5．稳定扩散与不稳定扩散：名词解释答案：一、扩散是指在梯度的作用下，由于热运动而使粒子定向移动的过程二、扩散通量：单位时间内通过单位面积粒子的数目扩散系数：单位浓度梯度下的扩散同俩个三、本征扩散：由热缺陷所引起的扩散非本征扩散：由于杂质粒子的电引入而引起的扩散四、自扩散：原子或粒子在本身结构中的扩散互扩散：两种的扩散通量大小相等，方向相反的扩散五、稳定扩散：单位时间内通过单位面积的粒子数一定不稳定扩散：单位面积内通过单位面积的粒子数不一定二、填空与选择1.晶体中质点的扩散迁移方式有：、、、和。
2．当扩散系数的热力学因子为时，称为逆扩散。
此类扩散的特征为，其扩散结果为使或。
3．扩散推动力是。
晶体中原子或离子的迁移机制主要分为两种：和。
4．恒定源条件下，820℃时钢经1小时的渗碳，可得到一定厚度的表面碳层，同样条件下，要得到两倍厚度的渗碳层需小时.5．本征扩散是由而引起的质点迁移，本征扩散的活化能由和两部分组成，扩散系数与温度的关系式为。
6．菲克第一定律适用于，其数学表达式为；菲克第二定律适用于，其数学表达式为。
7．在离子型材料中，影响扩散的缺陷来自两个方面：（1）肖特基缺陷和弗仑克尔缺陷（热缺陷），（2）掺杂点缺陷。
由热缺陷所引起的扩散称，而掺杂点缺陷引起的扩散称为。
（自扩散、互扩散、无序扩散、非本征扩散）8．在通过玻璃转变区域时，急冷的玻璃中网络变体的扩散系数，一般相同组成但充分退火的玻璃中的扩散系数。
（高于、低于、等于）9．在UO 2晶体中，O 2－的扩散是按 机制进行的。
（空位、间隙、掺杂点缺陷）填空题答案：1、易位扩散、环形扩散、空位扩散、间隙扩散、准间隙扩散2、1+（δln γi ）/（δlnNi ）＜0、由低浓度向高浓度扩散、偏聚、分相3、化学位梯度、空位机制、间隙机制4、45、热缺陷、空位形成能、空位迁移能、）（RT Q D D -=e0 6、稳定扩散 、 x C D J ∂∂-= 、不稳定扩散、22x C D tC ∂∂=∂∂ 7、本征扩散、非本征扩散8、高于9、间隙四、试分析离子晶体中，阴离子扩散系数－般都小于阳离子扩散系数的原因。
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第8章 扩散
物质中原子（分子）通过热运动发生迁移，使系统能量降低的过程称扩散。
本章我们只讨论固体中的扩散。
8-1 扩散的宏观规律
扩散问题可从两个方面来讨论，一是扩散的宏观规律，如扩散物质的浓度分布与时间的关系；二是扩散的微观机制，即扩散过程中原子迁移的具体方式。
扩散的宏观规律有两个定律。
一、扩散第一定律（菲克第一定律）
将纯铁加工成空心圆筒，放入高温炉中加热保温，
若筒内通渗碳气体，其碳浓度始终保持C 0不变。
这样，
碳原子就从内壁渗入，从外壁益出，形成碳原子扩散流。
经过一定时间后，达到平衡，筒壁内各点的碳浓度不再
随时间变化，此时，圆筒不再吸碳。
此后的扩散称稳态
扩散。
菲克的研究结果表明，在稳态扩散时，单位时间内，通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质量J 与该截面处的浓度梯度呈正比。
这个规律称扩散第一定律，或菲克第一定律。
其数学表达式为：
dx
dC D J -= 式中，D 为扩散系数；C 是体积浓度。
负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反。
用扩散第一定律可测量材料的扩散系数。
研究表明，D 是随浓度变化的，看见，在筒壁内不同点具有不同的D 。
二、扩散第二定律（菲克第二定律）
扩散第二定律也称菲克第二定律，是描述非稳态扩散的，其表达式为： ⎪⎭
⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=∂∂x C D x t C 实际上，固溶体中溶质原子的扩散系数是随浓度改变的，但这使解方程困难，因此往往是近似把D 作为常数，这时：
22x
C D t C ∂∂=∂∂ （阅读扩散第一、二定律的应用举例）
8-2 扩散的微观机制
一、间隙扩散
在间隙固溶体中，溶质原子的扩散只能从一个间隙位置迁移到相邻的另一间隙位置，称间隙扩散。
扩散的驱动力是系统的能量降低。
即当溶质原子从间隙位置1迁移到位
置2时，能量降低G ∆，但是中间有一
个能量升高的过程，称势垒。
所以要完
成这一迁移，间隙原子需要获得一定的
能量克服势垒，这一能量称激活能Q 。
这就是我们前面说的晶界移动是靠扩散进行的，而扩散过程需要热激活。
二、空位扩散
在置换固溶体中，溶质原子较大，很难通过间隙来扩散。
曾经有人提出换位模型，但之后发现的柯肯达尔效应又将换位模型彻底否定。
将纯Cu 棒和纯Ni 棒对焊，经高温长时间保温后，发现焊缝向纯Ni 侧移动，即Cu 棒变长，Ni 棒变短，这一现象称柯肯达尔效应。
它告诉我们在置换固溶体中溶质原子是通过空位扩散的。
空位扩散也需要激活能，且其激活能比间隙扩散激活能大。
纯金属发生固态相变时，结构重组的过程也是通过空位扩散进行的，这种扩散并无浓度变化，称自扩散。
固溶体发生扩散型固态相变时，溶剂的结构重组也称自扩散，同样靠空位扩散进行，但溶质原子的扩散伴有浓度的变化。
8-3 影响扩散的因素
由扩散第一定律可知，扩散取决于扩散系数和浓度梯度。
浓度梯度取决于有关条件，条件一定时，扩散的快慢主要取决于D 。
扩散系数与温度和激活能有关，可表示为： RT Q e D D /0-=
式中，D 0是扩散常数。
一、温度
温度越高扩散系数越大，扩散速度越大。
二、固溶体类型
间隙固溶体的扩散激活能较小，扩散速度较快。
三、晶体结构
当金属存在同素异构体时，在其它条件一定时，致密度越小，扩散越快。
四、晶体缺陷
通常，溶质原子在晶界或位错处的扩散比体扩散要快得多，有人称之为短路扩散。
原因是这些部位原子有较高的能量，致密度小，扩散激活能小。
五、化学成分（合金元素）
合金元素对扩散的影响非常复杂（阅读P227）。
8-4 扩散的其它类型
一、反应扩散
通过扩散形成新相的扩散称反应扩散。
反应扩散往往发生在对金属进行表面渗合金元素时。
超过溶解度时产生新相化合物。
二、上坡扩散
扩散不总是向浓度降低的方向进行，当扩散系数D 为负值时，扩散向浓度升高的方向进行，这种扩散称上坡扩散。
例如，发生珠光体转变时，奥氏体转变成渗碳体。
8-5 扩散的驱动力
上坡扩散扩散告诉我们，浓度梯度不是扩散的驱动力。
物体在重力W 作用下，从高处下落，位能E 不断减小。
若降落高度为dx ，则位能的变化等于重力做的功：
Wdx dE -=
即 dx
dE W -= 由热力学可知，在等温等压下，体系自动向自由能降低方向进行。
对于多组元体系，若n i 是组元i 的原子数，则
j
n P T i i n G μ,,⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂= 称化学位，它是某个i 组元原子的自由能。
原子所受的驱动力为
x
μF i ∂∂-= 即扩散的驱动力是化学位梯度。