热处理过程中的原子扩散运动及应用

摘 要：热处理是改善材料加工性能、强化金属的一种重要手段。钢能进行热处理的根本原因是铁元素具有同素异构转变的特性，其过程须借助原子的扩散运动来完成。各种热处理过程，特别是各种退火和化学热处理，都和扩散过程分不开。

关键词：热处理 扩散现象 原子运动 激活能

扩散现象是指在浓度差或其他推动力的作用下，由于分子、原子等的热运动所引起的物质在空间的迁移。扩散可以在液体或气体中进行，如图1所示，在清水中滴入几滴红墨水，过一段时间，水就都染成红色；扩散也可以在固体中进行，当把两块不同的金属紧压在一起，经过较长时间后，每块金属的接触面内部都可发现另一种金属的成分。

图1

一、原子扩散运动的机理与激活能

物质在宏观方面的许多表象或规律往往是其内部原子或分子运动的综合反映。金属晶体中的原子始终以其阵点为中心振动着，其振动频率平均约1012～1013次/秒，当部分原子获得足够高的能量时，会摆脱其周围原子对它的约束作用，脱离开其原来所占据的阵点，跳到晶体的其他位置上。原子的这种跳动是一种无规则的运动，它向各个方向跳动的几率近于相等，但受具体晶体结构的制约。

图2所示的是原子几种可能的扩散机理。其中，（a）图所示为间隙固溶体中，一个溶质原子由其所占据的间隙位置跳到邻近的另一个空着的间隙位置上而进行的扩散过程，（c）图所示为置换固溶体中，溶质或溶剂原子跳入间隙位置，而后再跳到其他间隙位置而进行的扩散过程，二者统称为间隙机理；（b）所示为相邻原子通过相互交换位置进行迁移，或由相邻的三个原子或四个原子同时进行环形旋转式的交换位置，称之为交换或轮换机理；（d）图所示为原子借空位的运动而迁移，称为空位机理。温度越高，金属晶体内部空位的密度也越大，原子跳入空位所需要的能量也应该比较小，所以空位机理无论是在纯金属中的自扩散，或是在固溶体中的互扩散，都是可能性最大的一种机理。

图2

因此，一定时间以后，晶体内部同类原子的分布逐步达到均匀化，这就是原子的扩散运动。总的来说，扩散的速度是随温度而变化的，金属或合金在室温下基本上不会发生扩散，温度越高，原子获得超额的能量越多，活动能力越强，跳动几率越大，扩散速度也越快，这称为原子扩散运动的激活能。

二、钢在热处理时的作用机理

工业生产中，热处理是将固态金属或合金放在一定的介质中加热、保温和冷却，通过改变金属材料表面或内部的组织结构来控制其性能的工艺方法。钢能进行热处理的根本原因是铁具有同素异构转变特性，其过程须借助原子的扩散运动来完成。

1.纯铁的同素异构转变

纯铁在固态下，随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。钢能进行热处理的根本原因就是纯铁具有同素异构转变的特性，表达式为：

γ―Fe 912℃ α―Fe

（面心立方晶格） （体心立方晶格）

工业生产中的钢由铁、碳两种元素组成，又称铁碳合金。铁原子在室温下，以体心立方晶格的α―Fe存在，其溶碳能力很弱，室温近似为零，从而使钢中的碳集中在一起以化合物（渗碳体Fe3C）的形式存在。钢的室温组织基本上是由α―Fe构成的铁素体和含碳量较高的渗碳体两部分组成。而铁原子在高温（912℃以上），则以面心立方晶格的γ―Fe存在，其溶碳能力较强，727℃时溶碳量为0.77%，1148℃时溶碳量最高达2.11%，此时小颗粒的碳原子就会全部溶入铁原子的间隙中间形成间隙固溶体，从而使高温钢的内部呈现为单一奥氏体组织。钢热处理之所以能够进行，就在于铁两种同素异构体α―Fe与γ―Fe的溶碳能力不同，从而形成浓度差，推动碳原子实现扩散运动。

2.钢的热处理过程

钢的热处理工艺是由加热、保温和冷却三阶段组成。热处理的加热过程又称钢的奥氏体化过程，如图3所示为共析钢奥氏体化过程。共析钢的室温组织是珠光体，由片层状的铁素体F（α―Fe）和渗碳体Fe3C组成，当把共析钢加热到780℃时，α―Fe发生同素异构转变成为γ―Fe，铁素体F通过形核和晶核长大而转变成为奥氏体A，这一过程只需不到10秒。同时，碳原子因加热获得激活能，并在浓度差的作用下，通过扩散运动进入γ―Fe成为奥氏体，使渗碳体逐渐解体直至完全溶解，这一过程则需几百秒。而要实现碳原子在奥氏体中的均匀化则需近万秒，这就是热处理的保温过程。

图3

热处理冷却过程的实质是奥氏体化的逆过程。随着温度下降，高温γ―Fe将恢复到室温α―Fe，高含碳量的奥氏体也将转化为低含碳量的铁素体，碳原子通过扩散运动从α―Fe中被迫析出、聚集、长大成为渗碳体。

3.热处理方法及过程

热处理方法有退火、正火、淬火和回火四种，前三种的加热保温均属于奥氏体化过程，作用相同，不同之处在于冷却方式。热处理的冷却方式不同，冷却速度不一致，原子扩散能力不一样，形成组织转变产物不同，力学性能也就不一样。

退火是随炉冷却，冷却速度缓慢，高温区域停留时间长，碳原子扩散能力强，析出彻底、聚集长大成为片层状的铁素体和渗碳体，称为珠光体（随退火温度由高到低，珠光体片层由粗到细，称为珠光体――索氏体――托氏体），其整体力学性能表现为塑性和韧性好，强度和硬度不高，但随片层间距缩小，塑性变形抗力会增大，塑性和韧性有所下降，强度和硬度提高。

正火是在空气当中冷却，冷却速度稍快，高温区域停留时间短，原子活动能力较弱，碳原子析出不彻底，转变后得到的组织为含碳量具有一定过饱和度的铁素体和分散的渗碳体（或碳化物）所组成的混合物，称为贝氏体，且分上贝氏体和下贝氏体两种。上贝氏体没有使用价值，而下贝氏体因碳化物均匀弥散分布造成析出强化和铁素体本身过饱和形成固溶强化的综合作用，强度、塑性、韧性均高。

淬火是在液体（水、碱水、盐水或油）中冷却，冷却速度快，转变温度低，原子扩散能力不足，只会发生γ―Fe向α―Fe的晶格改变，而没有碳原子的扩散，因而形成碳在α―Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体。因碳在α―Fe中形成过饱和固溶体，造成晶格畸变增大，从而使马氏体钢硬度剧增，塑性、韧性下降。

总体来说，热处理过程中，随冷却速度由慢到快，组织转变产物为珠光体―索氏体―托氏体―上贝氏体―下贝氏体―马氏体，钢的强度、硬度增高，而塑性、韧性下降，马氏体钢的硬度则发生剧增。

回火是针对马氏体钢硬度高脆性大的性能特点进行的第二次加热保温，俗称回火软化。加热给原子以激活能，使α―Fe中过饱和的碳原子通过扩散运动从马氏体中逐步析出，聚集成颗粒状的碳化物，最后形成球状渗碳体。随回火温度不同，碳原子扩散运动能力不同，生成的碳化物颗粒度大小不一致，回火温度越低，碳化物颗粒度越小，弥散强化的作用越显著，钢的硬度、耐磨性越好；回火温度升高，碳化物颗粒将聚集长大，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。 故刀具、量具、冷冲压模具、滚动轴承、渗碳零件等要求硬而耐磨的零件，就要求淬火后低温回火，而螺栓、连杆、齿轮、曲轴等机械零件要求具有良好的综合力学性能（足够的强度与高韧性相配合），就要求淬火后高温回火，称为调质处理。

三、热处理过程中的原子扩散运动及应用

1.原子扩散运动在渗碳过程中的应用

渗碳是将工件放入渗碳气氛或固体介质中进行加热、保温，使碳原子向工件内部发生扩散，经一定时间后，再冷却下来，可使工件表层一定深度范围内达到增碳的目的，从而提高工件表层硬度、耐磨性。控制渗碳时间的长短可以控制渗碳层的深度。

2.原子扩散运动在均匀化退火过程的应用

异分结晶合金在正常冷却条件下会出现基体固溶体成分不均匀，晶内偏析，组织呈树枝状等现象，如Pb-Sb合金的比密度偏析，密度大的铅Pb沉在合金下层，密度小的锡Sb在上层，成分严重不均匀。这类合金需进行均匀化退火处理。均匀化退火过程的实质就是通过加热使原子扩散至成分均匀的过程。

3.反应扩散在化学热处理中的应用

通过扩散，固溶体内的溶质组元超过固溶度限而不断形成新相的过程称反应扩散。钢的各种化学热处理大多是利用反应扩散进行的。例如钢的氮化就是利用反应扩散使工件表面产生一些氮化物以增加耐磨性或提高抗疲劳性。

金属和合金中的扩散现象与许多重要的冶金过程也有着密切的关系，诸如各种熔炼及凝固过程。各种热加工过程以及氧化、烧结、焊接等都是和扩散过程分不开的。

参考文献：

[1]宋维锡.金属学[M].北京：冶金工业出版社，2007.

[2]王运炎，叶尚川.机械工程材料[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3]单小君.金属材料与热处理[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2001.

（作者单位：中山市技师学院）