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(d. С/dx)t , где J - поток атомов, проходящий через единицу площади поверхности в любой момент времени t; (d. С/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/см 2 сек=(см 2/сек) (г/см 3/см). Если градиент концентрации изменяется со временем, то самодиффузия описывается вторым законом Фика: или, если D не зависит от состава где d. C/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: Металл Тпл. , о. С Do, м 2/с Q, к. Дж/(г-ат. ) W 3653 5, 4 х 10 -5 504, 5 Ta 3273 2 х 10 -4 460, 5 Mo 2873 5 х 10 -5 405, 7 Cr 2148 2 х 10 -5 308, 6 Fe 1812 2 х 10 -4 251, 2

Механизмы диффузии Возможные механизмы диффузии 1 - простой обменный, 2 - циклический обменный, 3 - вакансионный, 4 - простой межузельный, 5 - межузельный механизм вытеснения, 6 - краудионный. Основным механизмом самодиффузии и диффузии является вакансионный.

Эффект Киркендалла это экспериментальное подтверждение вакансионного механизма диффузии. Поток атомов цинка в сторону меди идет быстрее, чем меди в сторону латуни, и компенсируется потоком вакансий в сторону латуни.

Диффузия по границам зерен и дислокациям Экспериментально установлено, что в поликристаллическом материале с достаточно мелким зерном линейная зависимость ln. D от 1/Т нарушается при температурах, меньших 0, 6 -0, 7 Тпл. Это отклонение от закона Аррениуса связано с вкладом зернограничной диффузии в общий диффузионный поток. Коэффициент зернограничной диффузии намного больше коэффициента объемной диффузии (на 3 -5 порядков). Однако эта разница уменьшается с повышением температуры. Наличие более рыхлой структуры вдоль дислокации указывает на то, что частота перескоков атомов должна быть выше, а энергия активации Q ниже, чем вдали от дислокации.

Переход к следующей теме