Материаловедение Диффузия в металлах и сплавах Диффузия —

Материаловедение Диффузия в металлах и сплавах

Диффузия - это перенос вещества, который вызывается беспорядочным тепловым движением диффундирующих частиц. Основными типами движения при диффузии в твердых телах являются случайные периодические скачки атомов из узла кристаллической решетки в соседний или вакансию. Различают: 1) самодиффузию - перемещение атомов металла в кристалле, жидкости или газе; 2) гетеродиффузию - перемещение чужеродных атомов; 3) реактивную диффузию - которая сопровождающаяся реакциями образования промежуточных фаз. Существуют: а) Прямая диффузия, когда происходит перемещение атомов в направлении градиента концентрации - в сторону низкой концентрации вещества; б) Обратная или восходящая диффузия - перемещение атомов в сторону более высокой концентрации.

Рассмотрим процесс самодиффузии в чистых металлах. Стандартным методом определения коэффициента диффузии в чистых металлах является нанесение слоя радиоактивного изотопа на образец данного металла с последующим отжигом и определением глубины проникновения радиоактивного вещества. Исходное распределение атомов с течением времени сглаживается и в конце концов становится одинаковым по всему объему, т.е. из-за наличия градиента концентрации возникает макроскопический поток вещества.

Если градиент концентрации имеет только одно направление, и он не меняется от времени то уравнение для потока вещества J будет иметь вид J = - D(dС/dx)t , где J - поток атомов, проходящий через единицу площади поверхности в любой момент времени t; (dС/dx) - градиент концентрации, перпендикулярный к этой поверхности; D - коэффициент диффузии. Знак "-" указывает, что самодиффузия идет в направлении, обратном направлению градиента концентрации. Это уравнение есть первое уравнение Фика. Если градиента нет, то поток равен 0. Для выражения величин, входящих в первое уравнение Фика, используют обычно следующие единицы измерения: г/см2сек=(см2/сек)(г/см3/см). Если градиент концентрации изменяется со временем, то самодиффузия описывается вторым законом Фика: или, если D не зависит от состава где dC/dt - скорость изменения концентрации в произвольной точке x.

Коэффициент самодиффузии D зависит от температуры: где Do - постоянная, определяется типом кристаллической решетки, Q - энергия активации самодиффузии. Параметры самодиффузии некоторых металлов:

Механизмы диффузии Основным механизмом самодиффузии и диффузии является вакансионный.

Эффект Киркендалла