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。

图3.20 碳钢和硅钢组成的扩散偶在1050℃扩散退火后的碳浓度分布

图3.21 扩散偶中碳（a）和硅（b）的浓度分布

图 3.22 扩散偶焊接面两侧对应点的浓度变化 图3.23 合金元素对碳（摩尔分数1%）在γ-Fe中扩

散系数的影响

5.3 晶体结构

一、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。

表3.6 不同溶质原子在γ-Fe中的扩散激活能Q 溶质原子类型 溶质元素 Al Ni Mn Cr Mo W 置换型 间隙型 Q/kJ/mol 184 2232282.5 76 35 47 61.5 46 N 134 C 12 H 4二、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，实验测定的γ-Fe的自扩散系数与α-Fe的相比，在910℃时相差了两个数量级，。溶质原子在不同固溶体中的扩散系数也不同。910℃时，C在α-Fe中的扩散系数比在γ-Fe中的大100倍。

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。

三、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。

5.4 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，各种扩散的途径如图3.24。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。 在所有的缺陷中，表面的能量最高，晶界的能量次之，晶粒内部的能量最小。因此，原子沿表面扩散的激活能最大，沿晶界扩散的激活能次之，体扩散的激活能最小。对于扩散系数，则有Ds＞Db＞Dl，其中，Ds、Db、Dl分别是表面扩散系数、晶界扩散系数及体扩散系数，如图3.25。

实验上，通常采用示踪原子法测量晶界扩散现象。选一块多晶体金属样品，其晶界与表面垂直，在表面上涂有浓度为C0的扩散组元的放射性同位素作为示踪原子，然后将样品加热到高温并保温一段时间，示踪原子开始由样品表面沿晶界和晶格同时向内部扩散。由于示踪原子沿晶界扩散比晶粒内部快得多，晶界上的浓度会逐渐高于晶粒内部，然后再由晶界向两侧扩散。如果扩散时间足够长的话，就会观察到如图3.26所示的等浓度曲线。

图3.24 短路扩散示意图 图3.25 不同扩散方式的扩散系数与温度的关系

① 表面扩散 ② 晶界扩散 ③ 晶格扩散

图3.26 示踪原子在晶界和晶内的浓度分布 图3.27 锌在黄铜中的扩散系数

（数字为平均晶粒直径）

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。图3.27表示出锌在黄铜中的扩散系数随晶粒尺寸的变化。可以看出，黄铜的晶粒尺寸越小，扩散系数明显增加。例如，在700℃时，锌在单晶黄铜中的扩散系数

-42

D＝6×10cm/d，而在晶粒尺寸为0.13mm的多晶黄铜中的扩散系数D＝2.3×10-2cm2/d，提高了约40倍。

温度对晶界扩散有很大影响，图3.28给出了银单晶体和多晶体的自扩散系数与温度关系。低于700℃时，多晶体的～直线的斜率为单晶体的1/2；但是高于700℃时，多晶体的直线与单晶体的相遇，并重合于单晶体的直线上。实验结果说明，温度较低时晶界扩散激活能比体扩散激活能小得多，晶界扩散起主导作用；温度较高时晶体中的空位浓度增加，扩散速度加快，体扩散起主导作用。晶界扩散对较低温下的自扩散和互扩散有重要影响。但是，对于间隙固溶体来说，溶质原子的体扩散激活能本来就不高，扩散速度比较大，晶界扩散的作用并不明显。

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。