金属中的原子迁移（扩散）—— 概述

一、扩散的概念

扩散是物质中原子或分子的迁移现象，是物质传输的一种方式。

     实践经验告诉我们，除了一些特殊情况外，一个成分不均匀的单相体系会趋于变成成分均匀的体系。这一均匀化的过程就是原子或分子扩散的过程。其实质是原子无规则布朗运动。

      人们对气体和液体中的扩散现象并不陌生，如气味飘散，向静水中滴加墨水等，虽然扩散现象在固态物质中不易察觉，但确实存在。

        金属晶体中的扩散是指原子在晶体中的迁移过程，它与缺陷运动密切相关。与液体或气体一样，金属中扩散的本质也是热激活缺陷的不断产生和复合过程中，原子不断由一处向另一处作无规则运动。

        许多材料加工过程就是利用扩散来实现工艺目的的，比如铸件的均匀化退火、金属扩散焊连接、金属表面渗碳、合金粉末烧结、高温蠕变、金属凝固、相变等，都与扩散有密切联系。

气体中的扩散速率比较快，约每秒几个厘米；液体中就慢了许多，约每秒几分之一毫米；而固体中的扩散速率是非程慢的，并且随温度的降低而急剧减小。在熔点附近，扩散速率约为每秒1μm；在熔点的一半温度时，扩散速率则降为每秒约1nm。另外，由于气体和液体可以发生对流运动，物质的输运主要不是靠扩散。而固体中不存在对流，扩散过程是传质的唯一途径。

二、扩散发生条件

固体金属中发生扩散需具备的四个条件

1、 足够的驱动力   扩散过程都是在扩散驱动力作用下进行的。驱动力有化学位梯度、温度梯度、应力梯度等。

2、温度足够高  固态扩散是依靠原子热激活能而进行的过程。温度低时，原子被激活的几率很低，表现不出物质输送宏观效果，好象扩散过程被“冻结”，不同物质扩散“冻结”温度不同。碳原子在100℃以上时扩散显著，而铁原子须在500℃以上才能扩散。

3、时间足够长    扩散原子在晶体中扩散1mm的距离须跃迁亿万次，所以，只有经过很长时间才能造成物质的宏观定向迁移。

根据高温长时间这两个扩散必要条件，我们可以采用快速冷却到低温的方法，使扩散过程“冻结”，就可以把高温下的状态保持下来。如在热加工刚完成时迅速将金属材料冷却到室温，抑制扩散过程，避免发生静态再结晶，可把动态回复或动态再结晶的组织保留下来，以达到提高金属材料性能的目的。

4、扩散原子要固溶   扩散原子在基体金属中必须有一定的固溶度，能够溶入基体晶格，形成固溶体，这样才能进行固态扩散。

 

三、固态扩散的类型

1、按扩散过程中是否发生浓度变化分为

     ① 自扩散：   扩散物质不依赖它本身的浓度梯度，而仅仅是由于热振动而产生的原子迁移过程。只发生在纯金属和均匀固溶体中（如纯金属的晶粒长大，大晶粒吞并小晶粒）；

     ②  互扩散 ：互扩散是由于浓度梯度而引起的扩散，与异类原子的浓度差有关。是异类原子相互扩散，相互渗透，又称“化学扩散”。

 2、按扩散方向与浓度梯度方向的关系分为

    ① 下坡扩散： 下坡扩散是沿着浓度降低的方向扩散，使浓度趋于均匀化（如渗碳）。

    ② 上坡扩散 ：沿着浓度提高的方向扩散即为上坡扩散，使浓度发生两极分化，是一个富集过程。上坡扩散的驱动力也可以是弹性应力梯度、电位梯度或温度梯度。

3、按扩散过程是否出现新相分为

    ①  原子扩散 ：   扩散过程中基体晶格始终不变，无新相产生的扩散

    ②  反应扩散：，扩散使固溶体的溶质组元浓度超过固溶度极限形成新相的扩散，属于一种相变扩散。反应扩散形成的新相，可以是新的固溶体,也可以是各种化合物。

4、根据扩散途径

     ①  晶格扩散； ②  晶界扩散； ③  表面扩散； ④  位错扩散

        固体扩散不是原子的定向跃迁,而是原子的随机无序跃迁。其本质是晶体周期性势场发生倾斜，造成原子向各个方向跃迁的几率不相等。物质迁移是大量原子无序跃迁的统计结果。

      扩散是金属中的一个重要现象，是金属物理学的一个重要内容，它与金属的结构、加工以及性能之间存在密切关系，具有很重要的理论和实践意义。