Внутреннее строение твердого тела не является статичным, атомы не закреплены неподвижно на своих местах в кристаллической решетке, они непрерывно колеблются и могут перемещаться из своих положений равновесия в узлах решетки. Процесс преимущественной однонаправленности перемещения атомов, в итоге приводящий к макроскопическому переносу вещества, называется диффузией. Любые процессы зарождения и роста фаз, рекристаллизация, коагуляция и сфероидизация. фазовые превращения в твердом растворе, распад твердых растворов и выделение второй фазы связаны с диффузией атомов. Диффузия в сплавах представляет собой перенос разнородных атомов, который сопровождается изменением концентрации компонентов в отдельных зонах. Самодиффузией называют перемещение атомов одного и того же типа в чистых металлах или основного компонента - в сплавах. Диффузия атомов внедрения с малым атомным радиусом, например углерода в решетке железа, осуществляется межузельным путем. Этот процесс довольно легко реализуется благодаря тому, что число внедренных атомов в решетке мало по сравнению с числом междоузлий.
Для атомов металлов наиболее вероятен вакансионный механизм диффузии. Атом замещения легко меняет свое положение, если по соседству имеется свободная вакансия. Однако в регулярных узлах решетки число вакансий мало по сравнению с числом атомов, из-за чего диффузия атомов замещения затруднена. Для вакансионного механизма диффузии более благоприятная ситуация, складывается в искаженных узлах решетки: на границах зерен и фаз, а также на дислокациях. При диффузии по обоим механизмам перемещающиеся атомы, чтобы протиснуться между атомами основного металла, разрушить связи и деформировать решетку, должны преодолеть потенциальный барьер. Для этого атомы должны обладать определенным уровнем энергии активации, который зависит от сил межатомной связи и наличия дефектов кристаллической решетки, облегчающих диффузионные процессы. В частности, необходимый уровень энергии активации по границам зерен вдвое меньше, чем в объеме зерна. Согласно закону Фика (1855 г.), поток диффундирующего вещества в единицу времени через единицу поверхности пропорционален коэффициенту диффузии D (см²/с) и градиенту концентрации dC/dx:

Знак минус в этом уравнении означает, что диффузионный поток направлен по градиенту концентрации, то есть от зоны с большей концентрации к зоне с меньшей концентрацией диффундирующего элемента. Коэффициент диффузии, иногда называемый диффузионной подвижностью. определяет скорость диффузии при перепаде концентрации, равном единице, и зависит от химического состава сплава, строения кристаллической решетки. размеров зерен и температуры процесса. Наиболее сильное влияние оказывает температура. С.Аррениус установил экспоненциальную зависимость коэффициента диффузии от температуры

где D₀ - экспериментально найденный предэкспоненциальный множитель, зависящий от сил связи между атомами; Q - энергия активации процесса диффузии; R - универсальная газовая постоянная; Т- температура, К.
Процесс диффузии неодинаков для разных элементов. Сравнительно легкая диффузия углерода в железе и затрудненная - хрома приводит к тому, что в процесс образования карбидов Сг₂₃С₆ на границах зерен вовлекаются только приграничные атомы хрома. Границы зерен обедняются хромом, что приводит к межкристаллитной коррозии хромоникелевых аустенитных сталей. Стабильность структуры и свойств жаропрочных сплавов достигается путем торможения процесса диффузии. Торможение диффузии, подобно торможению дислокаций, создается соответствующей неоднородностью структуры. Торможение диффузионных процессов в литой структуре инструментальных сталей создается при формировании развитого дендритного скелета с термически прочной междендритной фазой карбидов. Неоднородность структуры может затруднять развитие трещин за счет их многократного ветвления и изменения направлений благодаря блокировке на выделениях второй фазы.