Diffusion bezeichnet den thermisch aktivierten, statistischen Transport von Atomen, Ionen oder Molekülen entlang von Konzentrations-, chemischen Potential- oder Defektgradienten. In Festkörpern erfolgt dieser Transport überwiegend über platzwechselnde Sprungprozesse, die durch Leerstellen oder Zwischengitterplätze vermittelt werden. Der makroskopische Stofffluss wird klassisch durch die Fick’schen Gesetze beschrieben; der zentrale Materialparameter ist der Diffusionskoeffizient D, der typischerweise einer Arrhenius-Beziehung mit Aktivierungsenergie folgt.

Man unterscheidet Selbstdiffusion (chemisch identische Atome) von Fremd- bzw. Interdiffusion in Mehrstoffsystemen. In Poly- und Nanokristallen spielen neben der Volumendiffusion insbesondere Korngrenzendiffusion und Diffusion entlang von Versetzungen eine entscheidende Rolle, da diese Schnelltransportpfade mit reduzierter Aktivierungsenergie darstellen. Diffusionsprozesse können zu Entmischung, Homogenisierung, Phasenumwandlungen und Kriechverformung beitragen.

Spezielle Bedeutung hat die Wasserstoffdiffusion, da der sehr kleine Atomradius und hohe Mobilität von H zu Effekten wie Wasserstoffversprödung, Rissinitiierung und -ausbreitung führen können. Die gezielte Nutzung von Diffusion ist Grundlage zahlreicher Verfahren, etwa Diffusionsglühen, Aufkohlung, Aufstickung oder die Herstellung von Diffusionspaaren zur experimentellen Bestimmung von Interdiffusionskoeffizienten. Ein präzises Verständnis der Diffusionsmechanismen ist damit zentral für die Auslegung von Werkstoffen und deren Langzeitstabilität unter thermischer und chemischer Belastung.