熱處理過程中的原子擴散運動及應用

尹麗萍

摘 要：熱處理是改善材料加工性能、強化金屬的一種重要手段。鋼能進行熱處理的根本原因是鐵元素具有同素異構轉變的特性，其過程須借助原子的擴散運動來完成。各種熱處理過程，特別是各種退火和化學熱處理，都和擴散過程分不開。

關鍵詞：熱處理 擴散現象 原子運動 激活能

擴散現象是指在濃度差或其他推動力的作用下，由于分子、原子等的熱運動所引起的物質在空間的遷移。擴散可以在液體或氣體中進行，如圖1所示，在清水中滴入幾滴紅墨水，過一段時間，水就都染成紅色；擴散也可以在固體中進行，當把兩塊不同的金屬緊壓在一起，經過較長時間后，每塊金屬的接觸面內部都可發現另一種金屬的成分。

圖1

一、原子擴散運動的機理與激活能

物質在宏觀方面的許多表象或規律往往是其內部原子或分子運動的綜合反映。金屬晶體中的原子始終以其陣點為中心振動著，其振動頻率平均約1012～1013次/秒，當部分原子獲得足夠高的能量時，會擺脫其周圍原子對它的約束作用，脫離開其原來所占據的陣點，跳到晶體的其他位置上。原子的這種跳動是一種無規則的運動，它向各個方向跳動的幾率近于相等，但受具體晶體結構的制約。

圖2所示的是原子幾種可能的擴散機理。其中，（a）圖所示為間隙固溶體中，一個溶質原子由其所占據的間隙位置跳到鄰近的另一個空著的間隙位置上而進行的擴散過程，（c）圖所示為置換固溶體中，溶質或溶劑原子跳入間隙位置，而后再跳到其他間隙位置而進行的擴散過程，二者統稱為間隙機理；（b）所示為相鄰原子通過相互交換位置進行遷移，或由相鄰的三個原子或四個原子同時進行環形旋轉式的交換位置，稱之為交換或輪換機理；（d）圖所示為原子借空位的運動而遷移，稱為空位機理。溫度越高，金屬晶體內部空位的密度也越大，原子跳入空位所需要的能量也應該比較小，所以空位機理無論是在純金屬中的自擴散，或是在固溶體中的互擴散，都是可能性最大的一種機理。

圖2

因此，一定時間以后，晶體內部同類原子的分布逐步達到均勻化，這就是原子的擴散運動。總的來說，擴散的速度是隨溫度而變化的，金屬或合金在室溫下基本上不會發生擴散，溫度越高，原子獲得超額的能量越多，活動能力越強，跳動幾率越大，擴散速度也越快，這稱為原子擴散運動的激活能。

二、鋼在熱處理時的作用機理

工業生產中，熱處理是將固態金屬或合金放在一定的介質中加熱、保溫和冷卻，通過改變金屬材料表面或內部的組織結構來控制其性能的工藝方法。鋼能進行熱處理的根本原因是鐵具有同素異構轉變特性，其過程須借助原子的擴散運動來完成。

1.純鐵的同素異構轉變

純鐵在固態下，隨溫度的改變由一種晶格轉變為另一種晶格的現象稱為同素異構轉變。鋼能進行熱處理的根本原因就是純鐵具有同素異構轉變的特性，表達式為：

γ—Fe 912℃ α—Fe

（面心立方晶格） （體心立方晶格）

工業生產中的鋼由鐵、碳兩種元素組成，又稱鐵碳合金。鐵原子在室溫下，以體心立方晶格的α—Fe存在，其溶碳能力很弱，室溫近似為零，從而使鋼中的碳集中在一起以化合物（滲碳體Fe3C）的形式存在。鋼的室溫組織基本上是由α—Fe構成的鐵素體和含碳量較高的滲碳體兩部分組成。而鐵原子在高溫（912℃以上），則以面心立方晶格的γ—Fe存在，其溶碳能力較強，727℃時溶碳量為0.77%，1148℃時溶碳量最高達2.11%，此時小顆粒的碳原子就會全部溶入鐵原子的間隙中間形成間隙固溶體，從而使高溫鋼的內部呈現為單一奧氏體組織。鋼熱處理之所以能夠進行，就在于鐵兩種同素異構體α—Fe與γ—Fe的溶碳能力不同，從而形成濃度差，推動碳原子實現擴散運動。

2.鋼的熱處理過程

鋼的熱處理工藝是由加熱、保溫和冷卻三階段組成。熱處理的加熱過程又稱鋼的奧氏體化過程，如圖3所示為共析鋼奧氏體化過程。共析鋼的室溫組織是珠光體，由片層狀的鐵素體F（α—Fe）和滲碳體Fe3C組成，當把共析鋼加熱到780℃時，α—Fe發生同素異構轉變成為γ—Fe，鐵素體F通過形核和晶核長大而轉變成為奧氏體A，這一過程只需不到10秒。同時，碳原子因加熱獲得激活能，并在濃度差的作用下，通過擴散運動進入γ—Fe成為奧氏體，使滲碳體逐漸解體直至完全溶解，這一過程則需幾百秒。而要實現碳原子在奧氏體中的均勻化則需近萬秒，這就是熱處理的保溫過程。

圖3

熱處理冷卻過程的實質是奧氏體化的逆過程。隨著溫度下降，高溫γ—Fe將恢復到室溫α—Fe，高含碳量的奧氏體也將轉化為低含碳量的鐵素體，碳原子通過擴散運動從α—Fe中被迫析出、聚集、長大成為滲碳體。

3.熱處理方法及過程

熱處理方法有退火、正火、淬火和回火四種，前三種的加熱保溫均屬于奧氏體化過程，作用相同，不同之處在于冷卻方式。熱處理的冷卻方式不同，冷卻速度不一致，原子擴散能力不一樣，形成組織轉變產物不同，力學性能也就不一樣。

退火是隨爐冷卻，冷卻速度緩慢，高溫區域停留時間長，碳原子擴散能力強，析出徹底、聚集長大成為片層狀的鐵素體和滲碳體，稱為珠光體（隨退火溫度由高到低，珠光體片層由粗到細，稱為珠光體——索氏體——托氏體），其整體力學性能表現為塑性和韌性好，強度和硬度不高，但隨片層間距縮小，塑性變形抗力會增大，塑性和韌性有所下降，強度和硬度提高。

正火是在空氣當中冷卻，冷卻速度稍快，高溫區域停留時間短，原子活動能力較弱，碳原子析出不徹底，轉變后得到的組織為含碳量具有一定過飽和度的鐵素體和分散的滲碳體（或碳化物）所組成的混合物，稱為貝氏體，且分上貝氏體和下貝氏體兩種。上貝氏體沒有使用價值，而下貝氏體因碳化物均勻彌散分布造成析出強化和鐵素體本身過飽和形成固溶強化的綜合作用，強度、塑性、韌性均高。

淬火是在液體（水、堿水、鹽水或油）中冷卻，冷卻速度快，轉變溫度低，原子擴散能力不足，只會發生γ—Fe向α—Fe的晶格改變，而沒有碳原子的擴散，因而形成碳在α—Fe中的過飽和固溶體，稱為馬氏體。因碳在α—Fe中形成過飽和固溶體，造成晶格畸變增大，從而使馬氏體鋼硬度劇增，塑性、韌性下降。

總體來說，熱處理過程中，隨冷卻速度由慢到快，組織轉變產物為珠光體—索氏體—托氏體—上貝氏體—下貝氏體—馬氏體，鋼的強度、硬度增高，而塑性、韌性下降，馬氏體鋼的硬度則發生劇增。

回火是針對馬氏體鋼硬度高脆性大的性能特點進行的第二次加熱保溫，俗稱回火軟化。加熱給原子以激活能，使α—Fe中過飽和的碳原子通過擴散運動從馬氏體中逐步析出，聚集成顆粒狀的碳化物，最后形成球狀滲碳體。隨回火溫度不同，碳原子擴散運動能力不同，生成的碳化物顆粒度大小不一致，回火溫度越低，碳化物顆粒度越小，彌散強化的作用越顯著，鋼的硬度、耐磨性越好；回火溫度升高，碳化物顆粒將聚集長大，鋼的強度、硬度下降，塑性、韌性提高。 故刀具、量具、冷沖壓模具、滾動軸承、滲碳零件等要求硬而耐磨的零件，就要求淬火后低溫回火，而螺栓、連桿、齒輪、曲軸等機械零件要求具有良好的綜合力學性能（足夠的強度與高韌性相配合），就要求淬火后高溫回火，稱為調質處理。

三、熱處理過程中的原子擴散運動及應用

1.原子擴散運動在滲碳過程中的應用

滲碳是將工件放入滲碳氣氛或固體介質中進行加熱、保溫，使碳原子向工件內部發生擴散，經一定時間后，再冷卻下來，可使工件表層一定深度范圍內達到增碳的目的，從而提高工件表層硬度、耐磨性。控制滲碳時間的長短可以控制滲碳層的深度。

2.原子擴散運動在均勻化退火過程的應用

異分結晶合金在正常冷卻條件下會出現基體固溶體成分不均勻，晶內偏析，組織呈樹枝狀等現象，如Pb-Sb合金的比密度偏析，密度大的鉛Pb沉在合金下層，密度小的錫Sb在上層，成分嚴重不均勻。這類合金需進行均勻化退火處理。均勻化退火過程的實質就是通過加熱使原子擴散至成分均勻的過程。

3.反應擴散在化學熱處理中的應用

通過擴散，固溶體內的溶質組元超過固溶度限而不斷形成新相的過程稱反應擴散。鋼的各種化學熱處理大多是利用反應擴散進行的。例如鋼的氮化就是利用反應擴散使工件表面產生一些氮化物以增加耐磨性或提高抗疲勞性。

金屬和合金中的擴散現象與許多重要的冶金過程也有著密切的關系，諸如各種熔煉及凝固過程。各種熱加工過程以及氧化、燒結、焊接等都是和擴散過程分不開的。

參考文獻：

[1]宋維錫.金屬學[M].北京：冶金工業出版社，2007.

[2]王運炎，葉尚川.機械工程材料[M].北京：機械工業出版社，2000.

[3]單小君.金屬材料與熱處理[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2001.

（作者單位：中山市技師學院）