零读杂谈（热处理 十九）

zerowing

昨天匆忙中写了点表面淬火的东西。苍狼大侠便兴致颇高的也写了很多。挺好的。这样的讨论气氛是一个非常好的底蕴。无论是对于回帖人还是发帖人都是大有裨益的。今天继续。

读书：《金属材料及热处理》　陆大纮　许晋堃　合编
　　　人民铁道出版社
    《材料工程基础》　王昆林　编著
　　　清华大学出版社

　　　杂谈十九

钢的化学热处理

化学热处理是将工件置于一定介质中的加热和保温，使介质的活性原子渗入（扩散）工件表层，以改变表层的化学成分和组织，从而改变表层性能的热处理工艺。目前常用的化学热处理有以下几种：

A. 提高工件表层硬度、耐磨性与疲劳强度的渗碳、渗氮、氰化（碳氮共渗）等。

B. 提高工件表层耐蚀性的渗氮、渗铬，渗硅等。

C. 提高工件表面高温抗氧化性的渗铝等。

钢的化学热处理，本质上是一种扩散运动，所以，这里先说一些关于扩散的内容，作为理论穿插，便于加深理解。

固体的扩散

扩散是物质中原子（分子）热运动产生的物质迁移的现象。气体和液体的扩散现象易于察觉，但固体中的扩散现象难以察觉。扩散是固体中物质传输的唯一方式。固体原子依靠热运动不断从一个平衡位置迁移到另一个位置，从而造成物质的宏观流动。

因为这里只是针对化学热处理的插叙篇幅，所以，后面所说的扩散部分，会有些缩省，只涉及有关化学热处理的部分。

扩散的机制

关于扩散的机制，迄今为止有多种理论，但比较符合实际情况的是空位机制和间隙机制。

1.空位机制。

处于晶体点阵结构位置的原子与邻近空位交换位置而实现原子迁移，这种扩散称为空位扩散机制。当一个原子跳入空位后，其原来的位置就成为新的空位，又会促使邻近原子跳入空位，如此不断重复，空位不断运动，原子也不断迁移。

实现空位扩散，必须同时具备两个条件：一是扩散原子邻近存在空位，二是邻近空位的扩散原子具有超过能垒的激活能。下图为空位扩散机制示意图。

空位是晶体中的热平衡缺陷，因此晶体中总是存在一定数量的空位存在。当原子热振动使得部分原子具有足够的激活能量时，就为空位扩散提供了条件。随着温度升高，空位浓度增加，为更多的原子提供扩散激活能，扩散速率也随之增加。

空位扩散机制主要见于置换固溶体中溶质原子的扩散，同时也见于纯金属中的自由扩散。原子间的尺寸差别和结合能大小是影响扩散速率的主要因素。

下表列出了一些纯金属的自扩散激活能。

2.间隙机制

在间隙固溶体中溶质原子从一个间隙位置跳到邻近的另一个空着的间隙位置的扩散即间隙扩散。扩散时，溶质原子必须挤开周围的溶剂原子才能从一个间隙位置跳到邻近空缺的间隙位置，因此这一跳动必然伴随着点阵的瞬时畸变，其畸变能便是间隙原子跳动时必须克服的能垒，即跳动的阻力，也是进行间隙扩散时所需的激活能。间隙扩散原理参考下图。

要实现间隙扩散，扩散溶质原子的尺寸相对溶剂原子必须要小。H、O、N和C等原子在某些金属晶体结构中以间隙机制进行扩散。比如C在铁的晶体内的扩散。

在一般间隙固溶体的点阵中，溶质原子所占据的间隙位置相对来说数量很少，大部分间隙位置都是空着的，每个溶质原子周围都有相当数量的可供其跳动的间隙位置。因此，当即活能足够时，跳动就可能进行。因此，像铁碳和金这种，当淬火进行后，即便是低温回火状态的温度，碳原子一样可以运动，稳定结构。

固态扩散有几类，包括自扩散和异扩散，上坡扩散和下坡扩散，原子扩散和反应扩散，体扩但、表面扩散和晶界扩散。其中与化学热处理相关的是上下坡扩散和反应扩散。

上坡扩散是扩散原子由低浓度向高浓度处的扩散。对应的例子如过饱和固溶体的溶质偏聚，第二相沉淀和奥氏体分解。

下坡扩散是扩散原子由高浓度向低浓度方向扩散，与化学梯度方向相反。固溶体成分的均匀化，渗碳、氰化等过程都是这一类扩散。

反应扩散是随扩散原子增多超过集体固溶体溶解度极限而形成新相的扩散，如渗硼，氮化都是这一类的实例。

影响扩散的因素。

影响扩散的主要因素有化学成分，组织和结构等。

1. 温度影响。

温度是影响扩散系数的主要因素。关系如下：

此式说明，温度越高，扩散系数越大，扩散越容易进行。

2. 晶体结构的影响。

不同的晶体结构和晶体各向异性，都会对扩散产生影响。比如体心立方晶格的致密度不如面心立方晶格，因此其原子间结合力较弱，扩散激活能就较低。而各向异性说明的则是扩散进行的方向性。

3. 基体金属的性质

同一元素在不同的基体金属中扩散时，结果不同。一般的说，基体金属熔点越高，则扩散激活能越大，扩散越困难。

4. 固溶体类型的影响。

不同的固溶体，原子扩散机制不同，导致的直接结果就是扩散能力不同。间隙固溶体的扩散激活能一般较小。而相对的置换固溶体的激活能则要高很多。因此，在化学处理中，渗碳、渗氮要比渗金属容易得多。下表给出了一些扩散激活的不同。

5. 固溶体浓度对扩散的影响。

溶质的浓度愈大，其扩散系数越大。其主要原因是下坡扩散需要的浓度梯度随着浓度的变化而发生变化。

除此之外，晶体晶界、位错、空位等都会对扩散产生不同的影响。这里不过多涉及。

今天先到这里，说得很杂，但是对理解表面化学热处理有很大意义。

苍狼大地

零侠功力扎实，看着很过瘾，佩服。
之前自己也看了一些化学热处理的，但是没有深入到扩散和组织变化层面，很多东西不能解释，看过就忘或者只能死记硬背一些结论，在实际工作中没办法灵活应用，或者被人几句话就憋住了。看来这块硬伤是必须治好啊。回头整理一下手头的笔记，再拿出来跟大侠讨论，十八篇从回复中弄到很多干货，哈哈。
现在更深刻地体会了一点八爷的话，一个人，归根结底还是基础，基础扎实就啥都不怕。根基扎得深，才能支撑起树干和枝叶。听人只言片语与系统性学习深度差距太大。
现在就感觉要学习的东西实在太多了，数学，力学，材料，汽车，电机。。。啥都要弄，时间不够用。按照八爷标准属于28岁是远远落后了，得连滚带爬赶35岁的点了，以前没有打好基础，有些后悔了。向零侠学习。

houbaomin0620

谢谢零侠分享，学习了。