實際金屬中的擴散

在金屬及其合金中，擴散是指原子(分子或離子)在擴散力的作用下進行的無規(guī)則運動所導(dǎo)致的傳質(zhì)過程。該傳質(zhì)過程針對的是定向的、無規(guī)則的平民式運動，既可以是上坡擴散，又可以是下坡擴散。擴散過程導(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)相變過程、金屬的蠕變等均與擴散密切相關(guān)。

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

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

金屬材料內(nèi)部擴散將導(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)量等因素都將對擴散過程產(chǎn)生不可忽略的影響。

一般情況下，實際金屬材料組分較多，整個擴散過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參與，因而實測得到的是互擴散系數(shù)?；U散系數(shù)不僅要考慮每一種擴散組元與溶劑的相互作用，還要考慮各擴散組元彼此間的相互作用。

晶體結(jié)構(gòu)類型對擴散過程影響明顯，原子在密排結(jié)構(gòu)中的擴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)的固溶體中擴散系數(shù)也不同。固溶體的類型也會影響擴散系數(shù)的大小，與間隙固溶體相比，置換固溶體中置換原子通過空位機制擴散時需先形成空位，因此，置換原子的擴散激活能比間隙原子大得多。

晶粒內(nèi)部存在的各種位錯也往往是原子容易移動的途徑，位錯密度越高，位錯對原子(或離子)擴散的貢獻越大。

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