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        實(shí)際金屬中的擴(kuò)散

        2022-03-03 23:38:22
        金屬熱處理 2022年11期
        關(guān)鍵詞:固溶體空位擴(kuò)散系數(shù)

        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)行的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的傳質(zhì)過程。該傳質(zhì)過程針對(duì)的是定向的、無規(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(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)。無論是擴(kuò)散型相變,還是無擴(kuò)散型相變,都需要原子的遷移,以實(shí)現(xiàn)晶格改組。

        擴(kuò)散過程的微觀機(jī)制主要有空位機(jī)制和間隙機(jī)制兩種??瘴粩U(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)散過程。需要指出的是,在實(shí)際擴(kuò)散過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)測得到的是互擴(kuò)散系數(shù)?;U(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。

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