Диффузия в металлах и сплавах кратко
Обновлено: 05.07.2024
Многие процессы, протекающие в металлах и сплавах, особенно при повышенных температурах, связаны с самодиффузией или диффузией.
Самодифузия – переход атома металла из узла кристаллической решётки в соседний или в межузлие под действием теплового возбуждения.
Диффузия перенос разнородных атомов, который сопровождается изменением концентрации компонентов в отдельных зонах сплава.
Для описания процесса диффузии в твёрдом кристаллическом теле (металле) предложено несколько возможных механизмов диффузии: циклический, обменный, вакансионный и межузленный (рис. 1).
По циклическому механизму диффузионный перескок представляет собой совместной перемещение (циклическое вращение) группы атомов (например, четырёх, рис. 1, а). Такое вращение не требует большой энергии, но маловероятно. Обменный механизм (рис. 1, б) является частным случаем циклического (группа из двух атомов) и заключается в обмене соседних атомов. При вакансионном механизме атом обменивается с вакансией (рис. 1, в), а при межузленном он переходит в состояние равновесия в ближайшее междоузлие (рис. 1, г). В металлах диффузия преимущественно осуществляется по вакансионному механизму. В этом случае, как из рис. 1, в, на место вакансии 1 может переместиться атом 2, обладающей повышенной энергией. Вакансия окажется на бывшем месте этого атома, и её может занять атом 3, и т. д.
При диффузии в металле элементов с малым атомным радиусом (C, N, H) происходит диффузия по межузленному механизму (рис. 1, г).
Классическими законами диффузии считаются законы Фика, которые справедливы для слабых растворов или систем с малым перепадом диффундирующего вещества – градиентом консентрации .
Первый закон Фика:
При постоянной температуре количество диффундирующего вещества в единицу времени через единицу поверхности пропорционально градиенту концентрации и коэффициенту диффузии (см 2 /с). Знак минус указывает, что диффузия протекает в обратном направлении, обратному вектору градиента концентрации, т. е. от зоны с большей концентрации к зоне с меньшей концентрации диффундирующего элемента.
Когда градиент концентрации изменяется во времени, коэффициент принимается независящим от концентрации, процесс диффузии описывается вторым законом Фика, который выводится из первого закона.
Второй закон Фика:
Коэффициент диффузии (см 2 /с) определяет скорость диффузии при перепаде концентрации, равном единице, заисит от состава сплава, размеров зёрен и температуры процесса.
Для определенного диапазона температур С. Аррениус установил экспоненциальную зависимость коэффициента диффузии от температуры:
Где - предэкспоненциальный множитель, зависящий от сил связи между атомами кристаллической решётки; - энергия активации процесса диффузии;
Многие процессы, протекающие в металлах и сплавах, особенно при повышенных температурах, связаны с самодиффузией или диффузией.
Самодиффузия - 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.
Для описания процессов диффузии или самодиффузии предложено несколько механизмов (обменный, циклический, межузельный, вакансионный и др.). Однако реализуется тот механизм диффузии или самодиффузии, при котором окажется наименьшей величина
энергетического барьера (энергия активации), преодолеваемого перемещающимися атомами. Энергия активации зависит от сил межатомной связи и дефектов кристаллической решетки, которые облегчают диффузионные переходы (энергия активации по границам зерен вдвое меньше, чем в объеме зерна). Для металлических атомов более вероятным является вакансионный механизм, а для элементов с малым атомным радиусом - межузельный.
Классическими законами диффузии считаются законы Фика, которые справедливы для слабых растворов или систем с малым перепадом диффундирующего вещества - градиентом концентрации
Первый закон Фика:
При постоянной температуре количество диффундирующего вещества в единицу времени через единицу поверхности пропорционально градиенту концентрации и коэффициенту диффузии Знак минус указывает, что диффузия протекает в направлении, обратном вектору градиента концентрации, т. е. от зоны с большей концентрацией к зоне с меньшей концентрацией диффундирующего элемента.
Когда градиент концентрации изменяется во времени, а коэффициент диффузии принимается независящим от концентрации, процесс диффузии описывается вторым законом Фика, который выводится из первого закона:
Коэффициент диффузии определяет скорость диффузии при перепаде концентрации, равном единице, зависит от состава сплава, размеров зерен и температуры процесса.
Для определенного диапазона температур С Аррениус установил экспоненциальную зависимость коэффициента диффузии от температуры:
где - предэкспоненциальный множитель, зависящий от сил связи между атомами кристаллической решетки; б-энергия активации процесса диффузии; газовая постоянная.
В дальнейшем для описания диффузионных процессов в сложных сплавах ученые уточняли законы Фика, вводили понятия градиента химического потенциала или градиента термодинамической активности вместо градиента концентрации.
Диффузионные процессы лежат в основе кристаллизации и рекристаллизации, фазовых превращений и насыщения поверхности сплавов другими элементами. Более подробно об этом сообщается в последующих главах.
Диффузия в сплавах представляет собой перенос гетерогенных атомов, что влечет за собой изменение концентрации компонентов в отдельных зонах. Самодиффузия-это движение атомов того же типа, что и чистый металл или основной компонент. Диффузия атомов углерода с малым атомным радиусом, например, в решетке железа, осуществляется по интерстициальному проходу(рис. Этот процесс очень легко осуществить из-за того, что число атомов, встроенных в решетку, мало по сравнению с числом междоузлий.
Для атомов металла это наиболее вероятный вакансионный механизм диффузии (рис. 4.10) если поблизости есть пустое пространство, замещающий атом легко меняет свое положение. Людмила Фирмаль
Однако в обычных узлах решетки число вакансий меньше числа атомов, что затрудняет диффузию замещенных атомов. По механизму диффузии вакансий он более выгоден в узле искаженной решетки. При диффузии через оба механизма движущиеся атомы должны протискиваться между атомами основного металла, разрывать связи и преодолевать потенциальные барьеры для деформации решетки, для этого атомы должны иметь постоянный уровень энергии активации. Рис 4.9. Переход от этого междоузлия (а) к соседнему Междоузлию © атома, внедренного через неустойчивое промежуточное положение (в)) 157 страниц.
4.10 переход замещенного атома из его узла решетки (а) через неустойчивое промежуточное положение (б)в соседний незанятый узел решетки (в)) От сил межатомных связей и дефектов кристаллической решетки, способствующих диффузионному процессу. В частности, необходимый уровень энергии активации вдоль границ зерен составляет половину объема зерна. Согласно закону Фика (1855), поток диффузии вещества в единицу времени через единичную поверхность пропорционален коэффициенту диффузии D (см2/с) и градиенту концентрации DS/DX -. атом jydc М и DX2.
Процесс диффузии отличается различными элементами. Из рисунка. 4.11 коэффициент диффузии меди (Sn, Si, Be, Al, Zn) сильно отличается. Рис 4.11. Зависимость коэффициента диффузии от концентрации различных элементов, диффундирующих в среде. 4.12 схема торможения движения трещин: а-путем ветвления и изменения направления; Б-окклюзия второй фазы секреции Относительно легкая диффузия углерода в железе и сложная диффузия хрома приводят к тому, что только граничные атомы хрома участвуют в образовании карбидов SGR на границах зерен. Границы зерен обеднены хромом, что приводит к межзеренной коррозии хромоникелевых аустенитных сталей. Стабильность структуры и свойств жаропрочных сплавов достигается за счет ингибирования диффузионного процесса.
Ингибирование диффузии, как и ингибирование дислокации, производится соответствующей неоднородностью структуры. Людмила Фирмаль
Ингибирование диффузионных процессов в литой структуре инструментальной стали происходит при формировании развитого дендритного каркаса с термически прочной дендритной фазой карбида. Неоднородность структуры может быть решающим фактором в распространении трещин. Для риса. 4.12-схематическое представление структурных условий, препятствующих возникновению трещин вследствие множественных ответвлений и изменения направления вследствие блокирования секреции второй фазы.
Образовательный сайт для студентов и школьников
© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института
Доклад по физике 7 класс на тему Диффузия
Кроме броуновского движения, опытным доказательством того, что тела состоят из молекул, которые находятся в непрерывном беспорядочном движении, является диффузия.
Запах духов, как известно, ощущается на довольно большом расстоянии. Объясняется это тем, что пары духов легко диффундируют в воздухе. Капли жидкого красителя в воде легко диффундируют по всему сосуду. Намного труднее наблюдать диффузию в твердом теле. По этой причине изучение диффузии в твердых телах стало одним из наиболее интересных исследований в физике наших дней.
Как и во многих других областях человеческой деятельности, в данном случае умение предшествовало знанию. Столетиями рабочие сваривали металлы и получали сталь нагреванием твердого железа в атмосфере углерода, не имея ни малейшего представления о происходящих при этом диффузионных процессах. Лишь в 1896 г. началось научное изучение проблемы.
Английский металлург Вильям Робертс-Аустин в простом эксперименте измерил диффузию золота в свинце. Он наплавил тонкий диск золота на конец цилиндра из чистого свинца длиной в 1 дюйм (2,45 см), поместил этот цилиндр в печь, где поддерживалась температура около 200 о С, и держал его в печи 10 дней. Затем он разрезал цилиндр на тонкие диски и измерил количество золота, которое продиффундировало в каждый срез свинца.
Рис.1. График, показывающий изменение концентрации золота в цилиндре в зависимости от расстояния до края.
Робертс-Аустин обнаружил, что нагретый металл диффундирует в другой, когда они тесно прижаты друг к другу. С точки зрения атомного строения вещества проницаемость твердых тел не является странной. В настоящее время мы хорошо представляем себе, что даже наиболее твердое тело — всего довольно слабо связанный набор атомов. В кристаллах, образующих металл, атомы располагаются в определенных положениях, из которых их довольно трудно сместить. Такое расположение атомов в кристаллах называют кристаллической решеткой. Однако идеальных и полностью застроенных решеток не существует. В них всегда имеется некоторое количество пустых мест — вакансий, или дырок, в которые могут перепрыгнуть диффундирующие атомы. Перепрыгнув в некую вакансию, атом оставляет после себя новую вакансию. В нее может перейти соседний атом; итак, путем непрерывных перемещений атомов в решетке атом может пройти через кристалл.
Рис. 2. Иллюстрация диффузии золота в кристалле свинца.
В эксперименте Робертса-Аустина атомы золота при 200 о С колебались достаточно быстро. чтобы начать перескакивать в вакансии решетки (то же имело место и для атомов свинца). В конце концов, если бы эксперимент продолжался очень долго, атомы золота равномерно распределились бы по всему свинцовому цилиндру.
Рис. 3. Атомы золота ищут вакансию в кристаллической решетке свинца.
Рис. 4. Диффузия углерода в железе
В своей наипростейшей форме сталь является сплавом углерода и железа. Свойства стали меняются в зависимости от содержания в сплаве углерода.
Рис.5. Атомы углерода удобно размещаются между атомами железа.
Читайте также: