材料扩散的名词解释
《无机材料》 第7章 固体中的扩散(4学时)
T（℃） 700 600 500 400 350
10-9 10-11
10-13
1.00 1.20 1.40 1.60 103/T（K-1）
Patterson等人测定了NaCl单晶中Na+离子和C1离子的本征与非本征扩散系数以及由此实测值计算 出的扩散活化能。
活化能 Q（kJ/mol）
Na＋
本征扩散 H f ＋ △H*
：指晶体中的间隙质点沿晶 格间隙的迁移过程。
MX型离子晶体，其本征热缺陷—— 为：
Nd
exp
G f 2RT
exp
S f 2R
exp
H f 2RT
——
由绝对反应速度理论：给定温度下，单位时间内晶
体中每个质点成功越过势垒△G*的跃迁次数，即
为：
0
exp( G* ) RT
0
exp( S * ) exp( H * )
由于面心质点跃迁到顶角空位的几率为1/12，体
心质点跃迁到顶角空位的几率为1/8，则考虑原子间
相互作用，质点自扩散系数D为：
D ＝ f Dr
式中 ——
，取决于晶体结构。
结构类型 简单立方 体心立方 面心立方 六方密堆积 金刚石
f
0.655 0.727 0.787
0.781
0.500
：指晶体中的空位跃迁至邻 近质点，而质点反向迁入空位；
置， 则：
置， 则：
的空位扩散机构，若空位在顶角位
向
，则 A＝3×8/2＝12，
2 2
a0
Dr
1 6
N dA 2
a
2 0
N
d
的空位扩散机构，若空位在顶角位
向
跃迁，则 A＝8，
材料科学基础5 材料中的扩散
• 令某种复合缺陷的浓度为cf，则： • cf=n/N=exp(ΔGf/2kT) • =exp(ΔSf/2k)exp(-ΔHf/2kT) • 如果扩散以空位机制进行，则本征扩散系数可表 示为： • D=fα2νzexp[(ΔSf+2ΔSm)/2k]· • exp[(ΔHf+2ΔHm)/2kT]/6 • =D0exp[(ΔHf+2ΔHm)/2kT]
• 空位扩散 • 设空位浓度为cν，由统计热力学知： • cν=exp(-ΔGf/kT)=exp(ΔHf/kT)exp(ΔSf/k) • 式中ΔGf为空位形成自由能；ΔSf为空位形 成熵；ΔHf为空位形成焓。 D=fα2νzexp[(ΔSf+ΔSm)/k]exp[(ΔHf+ • ΔHm)/kT]=D0exp[(ΔHf+ΔHm)/kT]
• 非晶态固体中的扩散 • 非晶态固体的扩散能力与原子排列紧密 程度相关。通常非晶态固体中的原子排 列没有晶态的致密，跃迁频率相对较高， 因此迁移率更大，扩散激活能较低，扩 散系数较高。
• 在聚合物中，小分子，原子或离子可在 大分子链的间隙中扩散。与晶态聚合物 相比，玻璃态聚合物中更容易发生扩散。 某些聚合物还具有选择性扩散特性。被 用于各种膜分离技术，如稀有元素富集 和海水淡化。
（3）扩散激活能（总结） 间隙扩散扩散激活能与扩散系数的关系 D=D0exp(-Q/RT) D0：扩散常数。 空位扩散激活能与扩散系数的关系 D=D0exp(-△E/kT) △E=△Ef(空位形成功)+△Em（空位迁 移激活能）。
3 扩散的驱动力与上坡扩散 （1）扩散的驱动力 对于多元体系，设n为组元i的原子数， 则在等温等压条件下，组元i原子的自由能可 用化学位表示：
• 即：δ/2Dt=const, 或： • δ=αDt 这里是与cs和c*有关的常数。 • 渗碳层深度与Dt成正比是制定渗碳工艺 的理论依据。
材料基础固体中的扩散
渗层中无两相区的热力学解释： 如果渗层中出现两相共存区，则两平衡相的化学位相等，
这段区域中就没有扩散驱动力，扩散将在两相区中断，扩散 不能进行。因此，在渗层组织中不可能出现两相区。
退一步讲，即使在扩散过程中出现两相区也会因系统自由 能升高而使其中某一相逐渐消失，最终由两相演变为单相。
因此得到这样的结论，在二元系（含渗入元素）的渗层中 没有两相共存区，在三元系的渗层中没有三相共存区，依次 类推。
由于分开一对异类离子将使静电能大大增加， 为了保持局部电荷平衡，需要同时形成不同电荷的 两种缺陷。
如一个阳离子空位和一个阴离子空位 ——肖特基空位缺陷
或一个间隙离子和一个离子空位——弗兰克儿空位缺陷。
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7
( 1 ) 肖特基缺陷 由一个阳离子空位和一个阴离子空位组成，实
际上是一个电荷相反的（空位—空位）对。
（4）评价温度对扩散的影响。
R为气体常数（ 8.314J/mole·K）
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16
3、在900℃对一批钢齿轮成功渗碳需要10个小时，此温度下铁为FCC晶体。 如果渗碳炉在900℃运行1个小时需要耗费1000元，在1000℃运行1小时需要 耗费1500元，若将渗碳温度提高到1000℃完成同样渗碳效果，是否可以提高 其经济效益？(已知碳在奥氏体铁中的扩散激活能为137.52 KJ/mole )
肖特基空位浓度
∆GS为形成一对肖特基空位所需的能量，A为振动熵所 决定的系数
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8
( 2 ) 弗兰克儿缺陷 当形成一个间隙阳离子所需能量比形成一个
阳离子空位小很多时，则形成阳离子空位的电荷 可以通过形成间隙阳离子来补偿，即弗兰克缺陷 由一个间隙离子和一个离子空位组成，实际上是 一个电荷相同的（间隙—空位）对。
体积扩散和晶界扩散名词解释-概述说明以及解释
体积扩散和晶界扩散名词解释-概述说明以及解释1.引言1.1 概述体积扩散和晶界扩散是材料科学中两个重要的扩散现象。
扩散是物质在固体内部的原子或分子从高浓度区域向低浓度区域的传输过程。
在晶体结构中，扩散是通过原子或分子的跳跃来实现的，目的是达到能量的最低点。
体积扩散和晶界扩散是两种不同的扩散机制，分别发生在固体体积内部和晶界处。
体积扩散主要发生在固体结构的体积内部，即晶体内部的原子或分子之间的传输。
这种扩散过程是通过晶体晶格中的空位或间隙来实现的，并具有一定的速率和规律。
体积扩散在金属材料中尤为常见，对于材料的晶粒生长、相变行为和物理性能等都起着重要的影响。
晶界扩散指的是发生在晶体内部的晶界区域的扩散现象。
在晶体生长或材料加工过程中，由于晶粒的不完整性或晶体之间的接触，形成了晶界区域。
晶界的形成带来了晶体内部的一些缺陷和杂质，导致了晶界处的原子或分子传输过程。
晶界扩散对于晶粒生长的影响较大，也对材料的力学性能和耐蚀性等方面有一定的影响。
本文将对体积扩散和晶界扩散的定义、原理、影响因素、应用和意义进行详细的解释和探讨。
同时，还将比较和对比这两种不同的扩散机制，探究它们之间的区别和联系。
最后，通过总结体积扩散和晶界扩散的概念，强调它们在材料科学中的重要性，并展望未来的研究方向。
通过对这两个名词的解释和探讨，可以更好地理解和应用扩散现象，促进材料科学的发展和应用。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以按照以下方式编写：1.2 文章结构本文将主要分为三个部分进行讨论。
首先，在引言部分将对体积扩散和晶界扩散的概念进行简要介绍，旨在引起读者对这两个重要的扩散现象的兴趣。
其次，在正文部分，将详细讨论体积扩散和晶界扩散的定义、原理、影响因素、应用和意义。
其中，对于体积扩散，将重点介绍其在材料科学中的重要作用以及相关领域中的应用。
对于晶界扩散，将探讨其与晶界结构的关系，以及晶界扩散在材料制备、合金强化等方面的应用。
最后，在结论部分，将总结体积扩散和晶界扩散的概念和特点，并强调它们在材料科学领域中的重要性。
材料科学基础课件 6.固体中的扩散
6.1.2 扩散分类
（1）根据有无浓度变化 自扩散(self-diffusion)：原子经由自身元素的晶
体点阵而迁移的扩散。 （如纯金属或 固溶体的晶粒长大。无浓度
（1）稳态扩散 (steady state diffusion) ：扩散过程中 各处的浓度及浓度梯度(concentiontration gradient)不 随时间变化（∂C/∂t=0，∂J/∂x=0） 。
Fig. 7.4 (a) Steady-state diffusion across a thin plate. (b) A linear concentration profile for the diffusion situation in (a).
（3）根据是否出现新相 原子扩散(atomic diffusion)：扩散过程中
不出现新相。 反应扩散(reaction diffusion)：由之导致
形成一种新相的扩散。
6.2 扩散机制
6.2.1 空位扩散机制
（vacancy diffusion）
6.2.2间隙扩散机制
（interstitial diffusion）
第六章 固体中的扩散
第六章 固体中的扩散
6.1 扩散现象及分类
扩散(diffusion)是物质中原子（分子或离子）的 迁移现象，是物质传输的一种方式。扩散是一种由 热运动引起的物质传递过程。扩散的本质是原子依 靠热运动从一个位置迁移到另一个位置。扩散是固 体中原子迁移的唯一方式。
扩散会造成物质的迁移，会使浓度均匀化，而 且温度越高，扩散进行得越快。
固体中的扩散材料科学基础
纯铁渗碳，C0＝0，则上式简化为 （3.16）
CCs1erf2 xDt
由以上两式能够看出，渗碳层深度与时间旳关系一样满足式 （3.13）。渗碳时，经常根据式（3.15）和（3.16），或者式（3.13） 估算到达一定渗碳层深度所需要旳时间。
Cs＝1.2%，C0=0.1%,C=0.45% t1/2=224/0.71=315.5; t=99535(s)=27.6h
C2 2
表白界面浓度为扩散偶原始浓度旳平均值，该值在扩散过程中一直保
持不变。若扩散偶右边金属棒旳原始浓度C1＝0，则式（3.11）简化为
CC2 2
1erf2
xDt
（3.12）
而焊接面浓度Cs＝C2/2。 在任意时刻，浓度曲线都相对于x＝0，Cs＝（C1﹢C2）/2为中心
对称。伴随时间旳延长，浓度曲线逐渐变得平缓，当t→∞时，扩散偶 各点浓度均到达均匀浓度（C1﹢C2）/2。
二、高斯函数解(略)
3.2 扩散微观理论与机制
从原子旳微观跳动出发，研究扩散旳原子理论、扩散旳微观机制以 及微观理论与宏观现象之间旳联络。
3.2.1 原子跳动和扩散距离
设原子在t时间内总共跳动了n次，每次跳动旳位移矢量为
ri
，则
原子从始点出发，经过n次随机旳跳动到达终点时旳净位移矢量 Rn
应为每次位移矢量之和，如图3.4。
扩散第一定律： ① 扩散第一方程与经典力学旳牛顿第二方程、量子力学 旳薛定鄂方程一样，是被大量试验所证明旳公理，是扩 散理论旳基础。
② 浓度梯度一定时，扩散仅取决于扩散系数，扩散系数是 描述原子扩散能力旳基本物理量。扩散系数并非常数，而 与诸多原因有关，但是与浓度梯度无关。
③ 当 C/x时，0J = 0，表白在浓度均匀旳系统中，尽管
材料科学名词解释
凝固1.凝固：是指物质有液态至固态的转变。
2.结晶:凝固后的固体是晶体，则称之为结晶。
3.近程有序：在非晶态结构中，原子排列没有规律周期性，原子排列从总体上是无规则的，但是，近邻的原子排列是有一定的规律的这就是“短程有序”4.结构起伏：液态结构的原子排列为长程无序，短程有序，并且短程有序原子团不是固定不变的，它是此消彼长，瞬息万变，尺寸不稳定的结构，这种现象称为结构起伏。
5.能量起伏：是指体系中每个微小体积所实际具有的能量，会偏离体系平均能量水平而瞬时涨落的现象。
6.过冷度：相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变，平衡相变温度与该实际转变温度之差称过冷度。
7.均匀形核：新相晶核是在母相中存在均匀地生长的，即晶核由液相中的一些原子团直接形成，不受杂质粒子或外表面的影响。
8.非均匀形核：新相优先在母相中存在的异质处形核，即依附于液相中的杂质或外来表面形核。
9.晶胚：当温度降到熔点以下，在液相中时聚时散的短程有序原子集团，就有可能形成均匀形核的“胚芽”或称晶胚。
10.晶核：物质结晶时的生长中心.又称晶芽.11.亚稳相：亚稳相指的是热力学上不能稳定存在，但在快速冷却成加热过程中，由于热力学能垒或动力学的因素造成其未能转变为稳定相而暂时稳定存在的一种相。
12.临界晶粒：半径为*r的晶核称为临界晶核。
13.临界形核功：形成临界形核所需要的功。
14.光滑界面：界面的平衡结构应是只有少数几个原子位置被占据，或者极大部分原子位置都被固相原子占据，及界面基本上为完整平面，这时界面呈光滑界面。
15.粗糙界面：界面的平衡结构约有一半的原子被固相原子占据而另一半位置空着，这是的界面称为微观粗糙界面。
16.温度梯度：是指液相温度随离液-固界面的距离增大而增大或降低。
17.平面状：在正温度梯度下，纯晶体凝固时，粗糙界面的晶体其生长形态呈平面状，界面与相面等温而平行。
18.树枝状：在负温度梯度下，纯晶体凝固时，处于温度更低的液相中，是凸出的部分的生长速度增大而进一步伸向液体中，这种情况下液-固界面会形成许多伸向液体的分支的生长方式。
材料科学基础名词解释(全)
材料科学基础名词解释(全)晶体：即内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。
非晶体：原子没有长程的排列，无固定熔点、各向同性等。
晶体结构：指晶体中原子或分子的排列情况，由空间点阵和结构基元构成。
空间点整：指几何点在三维空间作周期性的规则排列所形成的三维阵列，是人为的对晶体结构的抽象。
晶面指数：结晶学中用来表示一组平行晶面的指数。
晶胞：从晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的重复单元。
晶胞参数：晶胞的形状和大小可用六个参数来表示，即晶胞参数。
离子晶体晶格能：1mol离子晶体中的正负离子，由相互远离的气态结合成离子晶体时所释放的能量。
原子半径：从原子核中心到核外电子的几率分布趋向于零的位置间的距离。
配位数：一个原子或离子周围同种原子或异号离子的数目。
极化：离子紧密堆积时，带电荷的离子所产生的电厂必然要对另一个离子的电子云产生吸引或排斥作用，使之发生变形，这种征象称为极化。
同质多晶：化学组成相同的物质在不同的热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。
类质同晶：化学组成相似或相近的物质在相同的热力学条件下形成具有相同结构晶体的现象。
铁电体：指具有自发极化且在外电场作用下具有电滞回线的晶体。
正、反尖晶石：在尖晶石结构中，如果A离子占据四面体空隙，B离子占据八面体空隙，称为正尖晶石。
如果半数的B离子占据四面体空隙，A离子和另外半数的B离子占据八面体空隙则称为反尖晶石。
反萤石结构：正负离子位置刚好与萤石结构中的相反。
压电效应：由于晶体在外力作用下变形，正负电荷中心产生相对位移使晶体总电矩发生变化。
结构缺陷：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为结构缺陷。
空位：指正常结点没有被质点占据，成为空结点。
间隙质点：质点进入正常晶格的间隙位置。
点缺陷：缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，三维方向上的尺寸都很小。
线缺陷：指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷。
面缺陷：是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷。
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材料扩散的名词解释
材料扩散是指物质中原子、分子或离子之间的无序热运动，导致它们从高浓度
区域向低浓度区域的自发性传播现象。
这种现象在自然界和科学研究中普遍存在，对于探索材料科学的基本规律以及应用于工程技术领域具有重要意义。
以下将从扩散现象的基本原理、应用领域以及研究方法等方面进行探讨。
在理解材料扩散的过程中，必须先了解扩散现象的基本原理及其数学描述。
扩
散现象主要由扩散系数和浓度梯度驱动力所决定。
扩散系数是度量扩散能力的物理常数，与材料的性质、温度和压力等相关。
而浓度梯度驱动力则是指物质浓度之间的差异，越大的驱动力意味着更高的扩散速率。
材料扩散在各个领域都有广泛的应用。
一方面，在材料制备方面，扩散被用于
制备复杂的合金材料、薄膜和纳米结构材料等。
通过控制材料扩散过程中的参数，可以调控材料的成分和微观结构，实现特定性能的设计和优化。
另一方面，在工程领域，扩散被广泛应用于表面处理、材料改性、热处理和电子器件制造等方面。
例如，扩散用于改善材料的耐腐蚀性能、增强材料的耐热性、提高电子器件的导电性能等。
对于材料中的扩散行为进行研究和分析，需要采用一系列的实验方法和数学模型。
实验方面，常用的技术包括微观表征手段（如电子显微镜、原子力显微镜等）和宏观性能测试（如扩散层析法、电化学测试等）。
通过这些实验手段的组合运用，可以揭示扩散现象的本质和规律。
同时，建立数学模型是研究材料扩散的重要方法之一。
通过建立扩散方程和数值解析方法，可以模拟和预测材料中的扩散行为，为材料制备和性能优化提供理论指导。
除了理论研究和实验探索，材料扩散也面临一些挑战和问题。
例如，在纳米尺
度下的材料扩散研究中，表面效应和量子效应的影响变得极为重要，需要开发新的实验技术和理论模型进行深入研究。
此外，在材料的工程应用中，需要解决扩散过
程中的控制问题，确保目标元素的扩散深度和分布均匀性。
这些挑战使得材料扩散研究变得更加复杂和多样化。
综上所述，材料扩散作为一种重要的传输现象，广泛应用于材料制备和工程领域。
了解材料扩散的基本原理、特点和应用，对于深入理解材料科学和优化材料性能具有重要意义。
通过实验和理论的研究手段，可以揭示材料扩散的本质、探索规律，并为材料设计与制备提供指导，进一步推动材料科学与工程的发展。