«КЕРАМИКА. ПОНЯТИЕ ДИФФУЗИИ В МАТЕРИАЛАХ» План 1. Виды керамики. Керметы. Стеклокерамика. 2. Структура и свойства. Области применения. 3. Диффузия в металлах и неметаллических материалах. 4. Само-диффузия и диффузия, коэффициент диффузии.
Основные понятия Керамика - это многокомпонентный, гетерогенный материал, получаемый спеканием высокодисперсных минеральных частиц (глин, оксидов, карбидов, нитридов и др. ) Конструкционную керамику получают методами порошковой металлургии. Материалы, получаемые путем спекания металлических и керамических порошков, называются керметами. Стеклокерамика - ситаллы - это частично закристаллизовавшиеся стекла (содержат дополнительно Li 2 O, Al 2 O 3, Si. O 2, Mg. O, Ca. O), получаемые регулируемой кристаллизацией при повышенных температурах с помощью специально вводимых центров кристаллизации (микрочастиц Cu, V, Au, Ag, Pt и Cr 2 O 3, Zr. O, Zn. O, V 2 O 3, Ti. O).
Керамика – неметаллический поликристаллический материал (обычно получаемый спеканием порошков) «неметаллический» -оксиды, карбиды, нитриды и пр. «поликристаллический» - зерна микронного размера (иначе – область наноматериалов), «материал» - наличие связей (перешейков, границ) между зернами, определенные механические свойства (обычно - но не всегда – твердость, хрупкость, достаточно высокая плотность) «получаемый спеканием» - спекание – лишь один из способов (традиционных), возможно использование кристаллизации, ударного пресования. . . НЕ керамика – прессованные порошки металлов, стекло и аморфные материалы, аэрогели, ситаллы, стекловата, асбесты, монокристаллы, прессованные гранулярные пластмассы
Основные характеристики конструкционных керамических материалов Основа керамики Температура плавления, С Плотность, 103 кг/м 3 Предел прочности при 20 С, МПа При изгибе сжатии Особенности применения Оксидная керамика Al 2 O 3 (корундовая) Zn. O 2050 2700 3, 99 3, 60 150 230 3000 Химически стойкая, отличный диэлектрик, высокая прочность Применение – резцы для чистовой обработки, абразивные инструменты, фильеры для кабельной промышленности, детали машин, свечи зажигания ДВС 2100 Высокая термостойкость (до 2200 С). Низкая стойкость к термоудару. Применение – огнеупорные тигли, тепловая изоляция печей и аппаратов, термическая защита металлических поверхностей Бескислородная керамика Si. C (карборунд) BN 3, 20 3, 45 250 1500 Устойчива к кислотам, неустойчива к щелочам. Применение – абразивные инструменты Диэлектрик Применение – инструментальное производство, абразивные инструменты
Основные понятия Саммодиффузия – переход атома металла из узла кристаллической решетки в соседний или в межузлие под действием теплового возбуждения. Диффузия – перенос разнородных атомов, который сопровождается изменением концентрации компонентов в отдельных зонах сплава.
Диффузия в кристаллических телах Механизмы диффузии Диффузия по вакансиям Диффузия по междоузлиям Диффузия по механизму замещения
Законы Фика dm = - D c/ xd. Sd При постоянной температуре количество диффундирующего вещества dm в единицу времени через единицу поверхности d. S пропорционально градиенту концентрации c/ x и коэффициенту диффузии D (см 2/с). Когда градиент концентрации изменяется во времени, а коэффициент диффузии принимается независящим от концентрации, процесс диффузии описывается вторым законом Фика, который выводится из первого: c/ = D 2 c/ x 2 Коэффициент диффузии D (см 2/с) определяет скорость диффузии при перепаде концентрации, равном единице, зависит от состава сплава, размеров зерен и температуры процесса.
Для определения диапазона температур Аррениус установил экспоненциальную зависимость коэффициента диффузии от температуры: D = D 0 e -Q/RT где D 0 – предэкспоненциальный множитель, зависящий от сил связи между атомами кристаллической решетки; Q – энергия активации процесса диффузии; R – газовая постоянная. График зависимости коэффициента диффузии от концентрации различных элементов, диффундирующих меди. Процесс диффузии неодинаков для разных элементов. Из графика видно, что коэффициенты диффузии Sn, Si, Be, Al, Zn в меди существенно различаются.
Схема торможения движения трещин а) за счет ветвления и изменения направления; б) блокировкой на выделениях второй фазы