[科普中国]-原子扩散

影响因素

在一定的温度下，在晶格平衡位置上振动的原子，有的因能量较高可能离开原来的位置，发生原子的迁移。大量原子迁移则会引起物质的宏观流动，称为扩散。扩散是固体中物质传输的唯一方式。对原子迁移规律的了解是研究材料必不可少的。

扩散现象的本质是在扩散力的作用下，原子发生定向宏观的迁移。扩散力可以是浓度梯度也可以是电场梯度、应力场梯度等，总之扩散的结果是使体系的能量下降，使各种梯度减少，趋于均匀。

影响扩散的因素主要有温度，温度越高，扩散越快；晶体缺陷如界面、晶界位错容易扩散；不同致密度的晶体结构溶质原子扩散速度不一样，低致密度的晶体中溶质原子扩散快，各向异性也影响溶质原子扩散；在间隙固溶体中溶质原子扩散容易；扩散原子性质与基体金属性质差别越大，扩散越容易；一般溶质原子浓度越高，扩散越快；加入其它组元与溶质原子形成化合物阻碍其扩散。

研究进展举例强磁场是一种重要的外部物理条件，与普通电磁场的力效应和热效应不同，强磁场能够将强大的磁化能量无接触地传递到材料的原子尺度，明显改变材料的热力学状态，影响材料中原子和分子的排列、匹配、迁移等行为。近年来，随着低温超导技术的快速发展，超导强磁场的获得日趋轻便、经济，强磁场装置的生产已达到产业化。目前，强磁场在控制材料的物理化学过程、相变、热处理、结晶凝固、液体悬浮与分离等方面均取得了大量的科研成果，发现了很多新现象或者制备新型功能和结构材料，并诞生了强磁场材料学。

扩散焊可以焊接其他方法难以焊接的材料，尤其是异种材料之间的结合，并且其接头显微组织和性能与母材接近，不存在气孔、宏观裂纹等缺陷。研究表明扩散焊中的许多过程，如固态相变、晶粒生长、晶界迁移以及再结晶等，都与扩散密切相关。而研究发现，磁场对上述物理过程都有着重要影响。然而由于原子扩散速率缓慢导致的工艺效率低下成为其主要弊端，限制了该技术的应用。因此，在技术角度探索通过施加强磁场来提高工艺效率，在科学角度研究强磁场下固态原子的扩散行为，具有十分重要的意义。

文献1综述了强磁场对间隙扩散和空位扩散影响的研究结果和机制,对存在的问题进行了归纳总结,并对强磁场下扩散连接的研究趋势和发展前景进行了展望. 目前国内外对于强磁场对间隙扩散影响的研究主要集中在低碳钢的脱碳上。强磁场对铁磁性金属中的间隙扩散起抑制作用，而且比较强烈。尽管处于居里点之上，但铁磁性金属的固有磁矩保留了下来，在强磁场下还是会表现出磁有序和磁致伸缩，后者在单晶中具有明显的各向异性。因此从影响机制上来看，强磁场很可能通过磁致伸缩影响溶质原子在不同位置(八面体、四面体位置等)的占有率而间接降低扩散系数，而并非通过影响扩散激活能，相关的计算证实了这一点瞪。然而由于缺乏强磁场下非铁磁性金属中间隙扩散的数据，还不能对最终的影响机制作出定论。强磁场对扩散行为影响的研究，最早是从空位扩散开始的。关于强磁场对空位扩散的影响，已有结果比较混乱。从影响结果上来看，已有的试验结果均显示强磁场对铁磁性金属中溶质原子的间隙扩散起抑制作用，至于空位扩散，对于顺磁一抗磁合金系有抑制作用，对于顺磁一顺磁合金系，如若有Ti的存在，结果总是没有影响，除此之外为抑制作用；从影响机制上来看，二者均没有完善的理论定量地解释磁场大小和方向对于扩散的影响。因此还需要对更多类型的扩散偶进行定量的研究，在此基础上归纳出影响的一般规律，进而从理论上解释各种影响的物理机理。

随着低温超导技术的进步，强磁场在较大空间的实现变得更加经济轻便，发生装置日趋商业化。这使其应用范围从传统的铁磁性材料扩大到整个材料领域。扩散焊具有接头质量高、缺陷少、精度高、变形小等优点，并且可以实现难焊材料，尤其是异种材料的可靠连接。然而由于扩散焊需要较长的时间来达到冶金结合，而采用外加强磁场的方法可以控制原子能量状态，进而调节中间相、夹杂物、各种缺陷，从而影响整个扩散焊过程，加快扩散焊的进度，得到所需要的结果。这都需要从微观上探讨作用机理以正确指导其工业应用。因此，对强磁场作用下固态金属中原子扩散行为的研究，具有重要的科学意义和应用价值，必须引起足够的重视并加大投入。