尹麗萍

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

關(guān)鍵詞：熱處理 擴(kuò)散現(xiàn)象 原子運(yùn)動 激活能

擴(kuò)散現(xiàn)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(yùn)動所引起的物質(zhì)在空間的遷移。擴(kuò)散可以在液體或氣體中進(jìn)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(kuò)散也可以在固體中進(jìn)行，當(dāng)把兩塊不同的金屬緊壓在一起，經(jīng)過較長時間后，每塊金屬的接觸面內(nèi)部都可發(fā)現(xiàn)另一種金屬的成分。

圖1

一、原子擴(kuò)散運(yùn)動的機(jī)理與激活能

物質(zhì)在宏觀方面的許多表象或規(guī)律往往是其內(nèi)部原子或分子運(yùn)動的綜合反映。金屬晶體中的原子始終以其陣點(diǎn)為中心振動著，其振動頻率平均約1012～1013次/秒，當(dāng)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(jù)的陣點(diǎn)，跳到晶體的其他位置上。原子的這種跳動是一種無規(guī)則的運(yùn)動，它向各個方向跳動的幾率近于相等，但受具體晶體結(jié)構(gòu)的制約。

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

圖2

因此，一定時間以后，晶體內(nèi)部同類原子的分布逐步達(dá)到均勻化，這就是原子的擴(kuò)散運(yùn)動?？偟膩碚f，擴(kuò)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(fā)生擴(kuò)散，溫度越高，原子獲得超額的能量越多，活動能力越強(qiáng)，跳動幾率越大，擴(kuò)散速度也越快，這稱為原子擴(kuò)散運(yùn)動的激活能。

二、鋼在熱處理時的作用機(jī)理

工業(yè)生產(chǎn)中，熱處理是將固態(tài)金屬或合金放在一定的介質(zhì)中加熱、保溫和冷卻，通過改變金屬材料表面或內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)來控制其性能的工藝方法。鋼能進(jìn)行熱處理的根本原因是鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特性，其過程須借助原子的擴(kuò)散運(yùn)動來完成。

1.純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

純鐵在固態(tài)下，隨溫度的改變由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。鋼能進(jìn)行熱處理的根本原因就是純鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特性，表達(dá)式為：

γ—Fe 912℃ α—Fe

（面心立方晶格） （體心立方晶格）

工業(yè)生產(chǎn)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(gòu)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(qiáng)，727℃時溶碳量為0.77%，1148℃時溶碳量最高達(dá)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(nèi)部呈現(xiàn)為單一奧氏體組織。鋼熱處理之所以能夠進(jìn)行，就在于鐵兩種同素異構(gòu)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(shí)現(xiàn)擴(kuò)散運(yùn)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(dāng)把共析鋼加熱到780℃時，α—Fe發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變成為γ—Fe，鐵素體F通過形核和晶核長大而轉(zhuǎn)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(kuò)散運(yùn)動進(jìn)入γ—Fe成為奧氏體，使?jié)B碳體逐漸解體直至完全溶解，這一過程則需幾百秒。而要實(shí)現(xiàn)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(shí)質(zhì)是奧氏體化的逆過程。隨著溫度下降，高溫γ—Fe將恢復(fù)到室溫α—Fe，高含碳量的奧氏體也將轉(zhuǎn)化為低含碳量的鐵素體，碳原子通過擴(kuò)散運(yùn)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(kuò)散能力不一樣，形成組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)物不同，力學(xué)性能也就不一樣。

退火是隨爐冷卻，冷卻速度緩慢，高溫區(qū)域停留時間長，碳原子擴(kuò)散能力強(qiáng)，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(xì)，稱為珠光體——索氏體——托氏體），其整體力學(xué)性能表現(xiàn)為塑性和韌性好，強(qiáng)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(qiáng)度和硬度提高。

正火是在空氣當(dāng)中冷卻，冷卻速度稍快，高溫區(qū)域停留時間短，原子活動能力較弱，碳原子析出不徹底，轉(zhuǎn)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(jià)值，而下貝氏體因碳化物均勻彌散分布造成析出強(qiáng)化和鐵素體本身過飽和形成固溶強(qiáng)化的綜合作用，強(qiáng)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(zhuǎn)變溫度低，原子擴(kuò)散能力不足，只會發(fā)生γ—Fe向α—Fe的晶格改變，而沒有碳原子的擴(kuò)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(zhuǎn)變產(chǎn)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(qiáng)度、硬度增高，而塑性、韌性下降，馬氏體鋼的硬度則發(fā)生劇增。

回火是針對馬氏體鋼硬度高脆性大的性能特點(diǎn)進(jìn)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(kuò)散運(yùn)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(kuò)散運(yùn)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)械零件要求具有良好的綜合力學(xué)性能（足夠的強(qiáng)度與高韌性相配合），就要求淬火后高溫回火，稱為調(diào)質(zhì)處理。

三、熱處理過程中的原子擴(kuò)散運(yùn)動及應(yīng)用

1.原子擴(kuò)散運(yùn)動在滲碳過程中的應(yīng)用

滲碳是將工件放入滲碳?xì)夥栈蚬腆w介質(zhì)中進(jìn)行加熱、保溫，使碳原子向工件內(nèi)部發(fā)生擴(kuò)散，經(jīng)一定時間后，再冷卻下來，可使工件表層一定深度范圍內(nèi)達(dá)到增碳的目的，從而提高工件表層硬度、耐磨性?？刂茲B碳時間的長短可以控制滲碳層的深度。

2.原子擴(kuò)散運(yùn)動在均勻化退火過程的應(yīng)用

異分結(jié)晶合金在正常冷卻條件下會出現(xiàn)基體固溶體成分不均勻，晶內(nèi)偏析，組織呈樹枝狀等現(xiàn)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(yán)重不均勻。這類合金需進(jìn)行均勻化退火處理。均勻化退火過程的實(shí)質(zhì)就是通過加熱使原子擴(kuò)散至成分均勻的過程。

3.反應(yīng)擴(kuò)散在化學(xué)熱處理中的應(yīng)用

通過擴(kuò)散，固溶體內(nèi)的溶質(zhì)組元超過固溶度限而不斷形成新相的過程稱反應(yīng)擴(kuò)散。鋼的各種化學(xué)熱處理大多是利用反應(yīng)擴(kuò)散進(jìn)行的。例如鋼的氮化就是利用反應(yīng)擴(kuò)散使工件表面產(chǎn)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(kuò)散現(xiàn)象與許多重要的冶金過程也有著密切的關(guān)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(jié)、焊接等都是和擴(kuò)散過程分不開的。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋維錫.金屬學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[2]王運(yùn)炎，葉尚川.機(jī)械工程材料[M].北京：機(jī)械工業(yè)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(xué)院）