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第四章第四章 扩散与相变扩散与相变 I 固体中的扩散 概述 扩散定律扩散定律 扩散的微观机理与现象 影响扩散的主要因素影响扩散的主要因素 主要内容主要内容 1. 扩散的唯象理论 — 宏观规律 FickFick第第一和第二方程的建立和第二方程的建立、求解和应用求解和应用 扩散的热力学理论 扩散驱动力，扩散系数的建立和热力学意义 2. 扩散的微观机制和理论 扩散系统扩散系统 — 实际晶体实际晶体 • 微观机制微观机制 扩散过程原子的迁移方式 • 微观理论 扩散系数公式的建立和物理本质扩散系数公式的建立和物理本质 33. 有关扩散的概念及其区别有关扩散的概念及其区别 • 扩散通量，扩散系数，扩散激活能 • 稳态扩散，非稳态扩散 • 上坡扩散上坡扩散，下坡扩散下坡扩散 • 体（积）扩散（点阵扩散），短路扩散（快扩散） • 间隙扩散间隙扩散，置换扩散换扩散 • 柯肯达尔（Kirkendall）效应 一.扩散（diffusion ）的基本概念 物质中的原物质中的原子随时随时进行着热振着热振动，温度越高度越高，振振动频率越频率越 快。当某些原子具有足够高的能量时，便能克服势垒，离 开原来的位置，跳向邻近的位置。这种由于物质中原子 （或者其他微观粒子）的微观热运动所引起的宏观迁移现 象称为扩散。 在固态物质中在固态物质中，，扩散是原子迁移的唯扩散是原子迁移的唯一方式方式。。 固态物质中的扩散与温度有很强的依赖关系，温度越高， 原子扩散越快原子扩散越快。 二. 扩散的宏观规律和热力学条件 1. Fick第一定律 某某一瞬间通过垂直瞬间通过垂直 于x轴的单位平面的 原子的通量原子的通量 与与 同一瞬间沿x轴 的浓度梯度的浓度梯度 成正比。 二. 扩散的宏观规律和热力学条件 菲克第一定律表达式 扩散通量 ∂∂cc J −D ∂x 比例常数D — 扩散系 数 Illustration of the concentration gradient J为扩散通量为扩散通量，表示某表示某一瞬间扩散物质通过单位截面的瞬间扩散物质通过单位截面的 2 流量，单位为Kg/m .s； ∂c JJ −DD x为扩散距离； ∂x 33 cc为扩散组元的体积浓度为扩散组元的体积浓度，单位为单位为Kg/mKg/m ； ∂c/∂x为同一瞬间沿x方向的浓度梯度； 2 D为原子的扩散系数，单位为m /s。 负号表示扩散由高浓度向低浓度方向进行负号表示扩散由高浓度向低浓度方向进行。 对于扩散第对于扩散第一定律应该注意以下问题定律应该注意以下问题： 1. 浓度梯度一定时，扩散仅取决于扩散系数，扩散系数 是描述原描述原子扩散能力的扩散能力的基本物本物理量。扩散系数并非常扩散系数并非常 数，而与很多因素有关。 2. 当J=0，表明在浓度均匀的系统中，尽管原子的微观运 动仍在进行，但是不会产生宏观的扩散现象。 3. 在扩散第一定律中没有给出扩散与时间的关系，此定 律适合于描述的稳态扩散，即在扩散过程