图1-17 钢铁基体表面的非晶涂层结构

1.3.2 传输法

1. 扩散方法制备梯度结构材料

扩散可分为化学扩散和热扩散两种。化学扩散主要是指原子在化学势的作用下，发生定向迁移的现象。在金属或者陶瓷中通常用Fick第二定理来描述: 扩散一般是由物质浓度梯度引起的，物质的流量定义为在单位时间内垂直于扩散方向上的单位面积内通过的粒子的总量，一般流量与扩散粒子的浓度梯度成正比，即

若与浓度无关，上式写为 

由Fick定律可知，原子的迁移距离与时间相关，其速率主要由扩散系数来决定。在液体金属中，扩散系数的数量级为10-9~10-8 m2/s，即1 s影响深度约100 μm，原子迁移速度很快。因此，在液相中，仅仅通过原子迁移形成梯度结构比较困难。但是，如果伴随其他现象，如显微组织变化，则有可能形成梯度结构。宏观梯度结构硬质合金正是采用这种方法。在固相中，原子扩散系数约为10-13 m2/s，通过扩散达到100 μm深度需要24 h，原子迁移比较慢。间隙原子，如碳、氮元素，在金属中扩散大约快2个数量级。钢铁材料的表面改性，正是利用间隙原子的扩散，在材料表面形成硬化层。

另外一种扩散是热扩散，即在温度梯度作用下原子的迁移。热量在材料中的传输可通过热传导方程来表述。介质在无穷小时段dt内沿法线方向n流过一个无穷小面积的热量dQ，与介质温度沿曲面dS法线方向的方向导数u/n成正比，即

dQ=-k(x，y，z)(u/n)dSdt    (1-9)

式中: k(x，y，z)称为介质在点(x，y，z)处的热传导系数，取正值。由于热量总是从温度高的一侧流向温度低的一侧，因此式中有个负号。

在金属中，热扩散率的数量级为10-6~10-4 m2/s，即1 s内热传导在材料内的影响深度约为毫米级，因此有可能在材料中形成较大的热梯度。这种热梯度一方面能够改变材料的显微组织，例如位错组态、相结构和晶粒尺寸，钢铁中的激光表面硬化即是采用这种原理。另一方面，热梯度能够使原子发生热扩散，也被称为索雷效应，如图1-18和式(1-10)所示。

图1-18 索雷效应示意图

热扩散系数通常远小于扩散系数，因此只有在非常大的温度梯度下才能产生较大的浓度梯度。

在Cu50Zr50成分大块非晶凝固过程中，由于采用水冷铜坩埚，在熔体内部产生大约1 000℃的温度梯度，导致熔体中的空位和Zr原子向材料表面迁移，而在100 μm范围内形成成分梯度，如图1-19所示。由于非晶本身对成分非常敏感，在块体的某些成分区域发生了晶化，具有一定的梯度结构，如图1-20所示。