Диффузия представляет собой процесс переноса вещества, вызванный хаотическим тепловым движением составляющих его частиц.
В газовой фазе молекулы меняют вектор своего движения в результате столкновений друг с другом. Для твердых тел характерными формами диффузионного перемещения выступают случайные периодические перескоки атомов из узла кристаллической решетки в соседнюю позицию или вакансию.
В результате протекания диффузии формируется диффузионный слой — область материала у поверхности насыщения, которая по своему химическому составу, микроструктуре и физическим свойствам отличается от исходной основы.
Движение любого атома в рамках диффузии — это случайное блуждание, обусловленное высокой амплитудой колебаний, не зависящее от траекторий соседей или предыдущих перемещений самого атома. Колебания атомов около положения равновесия, не связанные с температурными изменениями, обычно протекают с частотой порядка 10¹³ с⁻¹.
Изучение механизмов диффузии остается крайне сложной задачей. Фундаментальный вклад в это направление внесли труды Я.И. Френкеля, доказавшего определяющее влияние дефектов решетки, прежде всего вакансий, на перемещение атомов. Наиболее трудным для описания является механизм простого обмена, тогда как вакансионный считается наиболее вероятным. Каждому способу соответствует своя энергия активации Q — величина энергетического барьера, который атом должен преодолеть для перехода в новое положение.
Перемещение при краудионном механизме напоминает распространение волны: возмущение движется быстро, при этом каждый отдельный атом смещается незначительно. Ключевую роль в диффузии играют вакансии и их объединения (бивакансии, комплексы «вакансия — примесный атом»), а также являющиеся их источниками дефекты (линейные и поверхностные).
В твердых растворах замещения доминирующим механизмом самодиффузии и диффузии является вакансионный. В то же время в твердых растворах внедрения основным способом перемещения мелких примесных атомов выступает межузельный механизм.
При длительном отжиге двух соединенных кусков чистых металлов А и В будет наблюдаться их взаимная диффузия, вызывающая смещение границы раздела (обозначенной инертными метками, такими как оксидные частицы или вольфрамовые нити) на величину Δх, пропорциональную квадратному корню из времени процесса. Если DА > DВ, то компонент А проникает в В быстрее, чем В в А, что ведет к увеличению объема части образца, содержащей В.
Диффузионная металлизация — это процесс насыщения поверхности изделий металлами или металлоидами. Насыщение может осуществляться в порошковой среде, в газообразном состоянии или в расплавленном металле (при условии его низкой температуры плавления).
Борирование — это насыщение поверхностей металлов и сплавов бором для повышения их твердости, износостойкости и коррозионной стойкости, реализуемое путем электролиза в расплаве солей бора. Данный метод обеспечивает исключительную твердость и сопротивление износу, а также улучшает теплостойкость. Борированные стали демонстрируют отличную стойкость к воздействию соляной, серной и фосфорной кислот. Борирование востребовано для деталей из стали и чугуна, эксплуатируемых в условиях трения в агрессивных средах (например, в химическом машиностроении).
Хромирование — диффузионное насыщение хромом, выполняемое в смесях порошков хрома или феррохрома с добавлением 1 % хромистого аммония и 49 % оксида алюминия при температуре 1000–1050 °C в течение 6–12 часов. Метод применяется для арматуры и вентилей, работающих в пароводяных или агрессивных средах. При обработке малоуглеродистых сталей хромирование повышает их твердость и коррозионную стойкость.
Алитирование представляет собой насыщение поверхностного слоя алюминием, которое проводят в жидкой или порошковой среде. Целью процесса является обеспечение высокой жаростойкости стальных деталей. Алитирование может осуществляться как в твердых, так и в жидких средах.
Силицирование — процесс насыщения кремнием, протекающий в газовой атмосфере. Слой, насыщенный кремнием, не обладает сверхвысокой твердостью, но отличается повышенной износостойкостью и стойкостью к воздействию морской воды, а также азотной, соляной и серной кислот. Силицированные детали востребованы в нефтяной, целлюлозно-бумажной и химической отраслях. Также метод используют для повышения жаростойкости изделий из вольфрамовых и молибденовых сплавов, обладающих высокой жаропрочностью.
В современной материаловедческой науке развиваются макроскопические и микроскопические теории диффузии. Макроскопический подход фокусируется на термодинамических параметрах и силах, в то время как микроскопическая теория базируется на механизмах, описывающих атомные скачки.