圖1-17 鋼鐵基體表面的非晶涂層結(jié)構(gòu)

1.3.2 傳輸法

1. 擴散方法制備梯度結(jié)構(gòu)材料

擴散可分為化學(xué)擴散和熱擴散兩種?；瘜W(xué)擴散主要是指原子在化學(xué)勢的作用下，發(fā)生定向遷移的現(xiàn)象。在金屬或者陶瓷中通常用Fick第二定理來描述: 擴散一般是由物質(zhì)濃度梯度引起的，物質(zhì)的流量定義為在單位時間內(nèi)垂直于擴散方向上的單位面積內(nèi)通過的粒子的總量，一般流量與擴散粒子的濃度梯度成正比，即

若與濃度無關(guān)，上式寫為 

由Fick定律可知，原子的遷移距離與時間相關(guān)，其速率主要由擴散系數(shù)來決定。在液體金屬中，擴散系數(shù)的數(shù)量級為10-9~10-8 m2/s，即1 s影響深度約100 μm，原子遷移速度很快。因此，在液相中，僅僅通過原子遷移形成梯度結(jié)構(gòu)比較困難。但是，如果伴隨其他現(xiàn)象，如顯微組織變化，則有可能形成梯度結(jié)構(gòu)。宏觀梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金正是采用這種方法。在固相中，原子擴散系數(shù)約為10-13 m2/s，通過擴散達到100 μm深度需要24 h，原子遷移比較慢。間隙原子，如碳、氮元素，在金屬中擴散大約快2個數(shù)量級。鋼鐵材料的表面改性，正是利用間隙原子的擴散，在材料表面形成硬化層。

另外一種擴散是熱擴散，即在溫度梯度作用下原子的遷移。熱量在材料中的傳輸可通過熱傳導(dǎo)方程來表述。介質(zhì)在無窮小時段dt內(nèi)沿法線方向n流過一個無窮小面積的熱量dQ，與介質(zhì)溫度沿曲面dS法線方向的方向?qū)?shù)u/n成正比，即

dQ=-k(x，y，z)(u/n)dSdt    (1-9)

式中: k(x，y，z)稱為介質(zhì)在點(x，y，z)處的熱傳導(dǎo)系數(shù)，取正值。由于熱量總是從溫度高的一側(cè)流向溫度低的一側(cè)，因此式中有個負號。

在金屬中，熱擴散率的數(shù)量級為10-6~10-4 m2/s，即1 s內(nèi)熱傳導(dǎo)在材料內(nèi)的影響深度約為毫米級，因此有可能在材料中形成較大的熱梯度。這種熱梯度一方面能夠改變材料的顯微組織，例如位錯組態(tài)、相結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸，鋼鐵中的激光表面硬化即是采用這種原理。另一方面，熱梯度能夠使原子發(fā)生熱擴散，也被稱為索雷效應(yīng)，如圖1-18和式(1-10)所示。

圖1-18 索雷效應(yīng)示意圖

熱擴散系數(shù)通常遠小于擴散系數(shù)，因此只有在非常大的溫度梯度下才能產(chǎn)生較大的濃度梯度。

在Cu50Zr50成分大塊非晶凝固過程中，由于采用水冷銅坩堝，在熔體內(nèi)部產(chǎn)生大約1 000℃的溫度梯度，導(dǎo)致熔體中的空位和Zr原子向材料表面遷移，而在100 μm范圍內(nèi)形成成分梯度，如圖1-19所示。由于非晶本身對成分非常敏感，在塊體的某些成分區(qū)域發(fā)生了晶化，具有一定的梯度結(jié)構(gòu)，如圖1-20所示。