关于影响金属材料固态扩散的因素与控制

影响金属材料固态扩散的因素与控制
摘要：由扩散第一定律可知，在浓度梯度一定时，原子扩散仅取决于扩散系数D。

对于典型的原子扩散过程，D符合Arrhenius公式，。

因此，D仅取决于D0、Q和T，凡是能改变这三个参数的因素都将影响扩散过程。

关键词：温度，因素，扩散，组元，系数
一，温度
由扩散系数表达式看出，温度越高，原子动能越大，扩散系数呈指数增加。

以C 在γ-Fe中扩散为例，已知D0=2.0×10-5m2/s，Q=140×103J/mol，计算出927℃和1027℃时C的扩散系数分别为1.76×10-11m2/s，5.15×10-11m2/s。

温度升高100℃，扩散系数增加三倍多。

这说明对于在高温下发生的与扩散有关的过程，温度是最重要的影响因素。

应该注意，有些材料在不同温度范围内的扩散机制可能不同，那么每种机制对应的D
和Q不同，D便不同。

在这种情况下，～并不是一条直线，而是由若干条直线组成的折线。

例如，许多卤化物和氧化物等离子化合物的扩散系数在某一温度会发生突变，反映了在这一温度以上和以下受到两种不同的机制控制。

图3.15表示出Na+离子在NaCl晶体中扩散系数的实验值。

其中，高温区发生的是以点缺陷扩散为主的本征扩散，低温区发生的是以夹杂产生或控制的缺陷扩散为主的非本征扩散。

二，成分
1，组元性质
原子在晶体结构中跳动时必须要挣脱其周围原子对它的束缚才能实现跃迁，这就要部分地破坏原子结合键，因此扩散激活能Q和扩散系数D必然与表征原子结合键大小的宏观或者微观参量有关。

无论是在纯金属还是在合金中，原子结合键越弱，Q越小，D越大。

合金中的情况也一样。

考虑A、B组成的二元合金，若B组元的加入能使合金的熔点降低，则合金的互扩散系数增加；反之，若能使合金的熔点升高，则合金的互扩散系数减小，
在微观参量上，凡是能使固溶体溶解度减小的因素，都会降低溶质原子的扩散激活能，扩散系数增大。

例如，固溶体组元之间原子半径的相对差越大，溶质原子造成的点阵畸变越大，原子离开畸变位置扩散就越容易，使Q减小，D增加。

2，组元浓度
在二元合金中，组元的扩散系数是浓度的函数，只有当浓度很低，或者浓度变化不大时，才可将扩散系数看作是与浓度无关的常数。

组元的浓度对扩散系数的影
响比较复杂，若增加浓度能使原子的Q减小，而D
增加，则D增大。

但是，通常
的情况是Q减小，D
0也减小；Q增加，D
也增加。

这种对扩散系数的影响呈相反
作用的结果，使浓度对扩散系数的影响并不是很剧烈，实际上浓度变化引起的扩散系数的变化程度一般不超过2～6倍。

3，第三组元的影响
在二元合金中加入第三组元对原有组元的扩散系数的影响更为复杂，其根本原因是加入第三组元改变了原有组元的化学位，从而改变了组元的扩散系数。

例如：将Fe-0.4%C碳钢和Fe-0.4%C-4%Si硅钢的钢棒对焊在一起形成扩散偶，然后加热至1050℃进行13天的高温扩散退火。

实验结果发现，在退火之前，C浓度在扩散偶中是均匀的；但是在退火之后，C原子出现了比较大的浓度梯度。

这一事实表明，在有Si存在的情况下C原子发生了由低浓度向高浓度方向的扩散，即上坡扩散。

上坡扩散产生的原因是，Si增加了C原子的活度，从而增加了C原子的化学位，使之从含Si的一端向不含Si的一端扩散。

随着退火时间的延长开始时C浓度在焊接面附近逐渐变陡，然后又趋于平缓，当退火时间很长时，C和Si的浓度最终都趋于均匀，形成均匀的固溶体。

合金元素对C在奥氏体中扩散的影响对钢的奥氏体化过程起到非常重要的
作用，按合金元素作用的不同可以将其分为三种类型。

①碳化物形成元素：这类元素与C的亲和力较强，阻碍C的扩散，降低C在奥氏体中的扩散系数，如Nb、Zr、Ti、Ta、V、W、Mo、Cr等；②弱碳化物形成元素：Mn，对C的扩散影响不大；③非碳化物形成元素：Co、Ni、Si等，其中Co增大C的扩散系数，Si减小C的扩散系数，而Ni的作用不大。

不同合金元素对C在奥氏体中扩散的影响如图3.23。

三，晶体结构
1，固溶体类型
固溶体主要有间隙固溶体和置换固溶体，在这两种固溶体中，溶质原子的扩散机制完全不同。

在间隙固溶体中，溶质原子以间隙扩散为机制，扩散激活能较小，原子扩散较快；反之，在置换固溶体中，溶质原子以空位扩散为机制，由于原子尺寸较大，晶体中的空位浓度又很低，其扩散激活能比间隙扩散大得多。

表3.6列出了不同溶质原子在γ-Fe中的扩散激活能。

2，晶体结构类型
晶体结构反映了原子在空间排列的紧密程度。

晶体的致密度越高，原子扩散时的路径越窄，产生的晶格畸变越大，同时原子结合能也越大，使得扩散激活能越大，扩散系数减小。

这个规律无论对纯金属还是对固溶体的扩散都是适用的。

例如，面心立方晶体比体心立方晶体致密度高。

钢的渗碳温度选择在900-930℃，对于常用的渗碳钢来讲，这个温度范围应该处在奥氏体单相区。

奥氏体是面心立方结构，C在奥氏体中的扩散速度似乎较慢，但是由于渗碳温度较高，加速了C的扩散，同时C在奥氏体中的溶解度远比在铁素体中的大也是一个基本原因。

3，晶体的各向异性
理论上讲，晶体的各向异性必然导致原子扩散的各向异性。

但是实验却发现，在对称性较高的立方系中，沿不同方向的扩散系数并未显示出差异，只有在对称性较低的晶体中，扩散才有明显的方向性，而且晶体对称性越低，扩散的各向异性越强。

铜、汞在密排六方金属锌和镉中扩散时，沿（0001）晶面的扩散系数小于沿[0001] 晶向的扩散系数，这是因为（0001）是原子的密排面，溶质原子沿这个面扩散的激活能较大。

但是，扩散的各向异性随着温度的升高逐渐减小。

晶体结构的三个影响扩散的因素本质上是一样的，即晶体的致密度越低，原子扩散越快；扩散方向上的致密度越小，原子沿这个方向的扩散也越快。

四，短路扩散
固体材料中存在着各种不同的点、线、面及体缺陷，缺陷能量高于晶粒内部，可以提供更大的扩散驱动力，使原子沿缺陷扩散速度更快。

通常将沿缺陷进行的
扩散称为短路扩散，沿晶格内部进行的扩散称为体扩散或晶格扩散，短路扩散包括表面扩散、晶界扩散、位错扩散及空位扩散等。

一般来讲，温度较低时，以短路扩散为主，温度较高时，以体扩散为主。

在多晶体金属中，原子的扩散系数实际上是体扩散和晶界扩散的综合结果。

晶粒尺寸越小，金属的晶界面积越多，晶界扩散对扩散系数的贡献就越大。

晶体中的位错对扩散也有促进作用。

位错与溶质原子的弹性应力场之间交互作用的结果，使溶质原子偏聚在位错线周围形成溶质原子气团（包括Cottrell 气团和Snoek气团）。

这些溶质原子沿着位错线为中心的管道形畸变区扩散时，激活能仅为体扩散激活能的一半左右，扩散速度较高。

由于位错在整个晶体中所占的比例很小，所以在较高温度下，位错对扩散的贡献并不大，只有在较低温度时，位错扩散才起重要作用。