實(shí)際金屬中的擴(kuò)散

在金屬及其合金中，擴(kuò)散是指原子(分子或離子)在擴(kuò)散力的作用下進(jìn)行的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的傳質(zhì)過(guò)程。該傳質(zhì)過(guò)程針對(duì)的是定向的、無(wú)規(guī)則的平民式運(yùn)動(dòng)，既可以是上坡擴(kuò)散，又可以是下坡擴(kuò)散。擴(kuò)散過(guò)程導(dǎo)致不同區(qū)域成分的變化，如金屬氧化、均質(zhì)化處理、成分變化的固態(tài)相變過(guò)程、金屬的蠕變等均與擴(kuò)散密切相關(guān)。

奧氏體的形成和珠光體轉(zhuǎn)變是擴(kuò)散型相變，貝氏體相變是“半擴(kuò)散型相變”，馬氏體相變是無(wú)擴(kuò)散相變(碳原子有擴(kuò)散，但其移動(dòng)速率落后于馬氏體片的生成)。無(wú)論是擴(kuò)散型相變，還是無(wú)擴(kuò)散型相變，都需要原子的遷移，以實(shí)現(xiàn)晶格改組。

擴(kuò)散過(guò)程的微觀機(jī)制主要有空位機(jī)制和間隙機(jī)制兩種。空位擴(kuò)散機(jī)制是固態(tài)材料中質(zhì)點(diǎn)遷移的主要機(jī)制，金屬晶體中由于本征熱缺陷存在或雜質(zhì)原子不等價(jià)取代而形成空位，空位周圍晶格上的原子可能跳入空位，從而實(shí)現(xiàn)空位與跳入空位的原子做相反方向的遷移。間隙擴(kuò)散機(jī)制中，處于間隙結(jié)點(diǎn)的原子在從某一間隙位置移入另一鄰近間隙位置的過(guò)程必然會(huì)引起其周圍晶格的畸變，與空位機(jī)制相比，所產(chǎn)生的晶格畸變大，該機(jī)制主要對(duì)應(yīng)間隙原子的擴(kuò)散過(guò)程。需要指出的是，在實(shí)際擴(kuò)散過(guò)程中還存在一種亞間隙機(jī)制，即位于間隙位置的A原子通過(guò)熱振動(dòng)將晶格結(jié)點(diǎn)上的B原子推入C間隙位置而A原子進(jìn)人晶格結(jié)點(diǎn)位置B，該擴(kuò)散機(jī)制所造成的晶格畸變程度在空位機(jī)制和間隙機(jī)制之間。

金屬材料內(nèi)部擴(kuò)散將導(dǎo)致材料微觀結(jié)構(gòu)的變化，而溫度、成分、晶體結(jié)構(gòu)類型、缺陷種類和數(shù)量等因素都將對(duì)擴(kuò)散過(guò)程產(chǎn)生不可忽略的影響。

一般情況下，實(shí)際金屬材料組分較多，整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程并不局限于某一種原子的遷移，而可能是兩種或兩種以上的原子同時(shí)參與，因而實(shí)測(cè)得到的是互擴(kuò)散系數(shù)。互擴(kuò)散系數(shù)不僅要考慮每一種擴(kuò)散組元與溶劑的相互作用，還要考慮各擴(kuò)散組元彼此間的相互作用。

晶體結(jié)構(gòu)類型對(duì)擴(kuò)散過(guò)程影響明顯，原子在密排結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散一般比非密堆積結(jié)構(gòu)中的慢，特別是在純金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變中，不同結(jié)構(gòu)的自擴(kuò)散系數(shù)完全不同。同一溶質(zhì)原子在不同晶體結(jié)構(gòu)的固溶體中擴(kuò)散系數(shù)也不同。固溶體的類型也會(huì)影響擴(kuò)散系數(shù)的大小，與間隙固溶體相比，置換固溶體中置換原子通過(guò)空位機(jī)制擴(kuò)散時(shí)需先形成空位，因此，置換原子的擴(kuò)散激活能比間隙原子大得多。

晶粒內(nèi)部存在的各種位錯(cuò)也往往是原子容易移動(dòng)的途徑，位錯(cuò)密度越高，位錯(cuò)對(duì)原子(或離子)擴(kuò)散的貢獻(xiàn)越大。

雜質(zhì)原子對(duì)擴(kuò)散的影響較為復(fù)雜。一般而言，當(dāng)引入少量雜質(zhì)原子造成晶格畸變時(shí)擴(kuò)散系數(shù)將增大；當(dāng)雜質(zhì)含量增加到一定程度時(shí)，引人雜質(zhì)與擴(kuò)散溶劑形成化合物，或發(fā)生沉淀相析出時(shí)將導(dǎo)致擴(kuò)散速率下降。