6.18 Дифузія в металах

Дифузія — процес довільного розповсюдження атомів у будь–якому середовищі (газоподібному, твердому, рідинному).

Для забезпечення дифузії в металі потрібно:

1. Щоб атом, що дифундує, утворював з металом твердий розчин.

2. Щоб в металі було достатньо вакансій.

В твердому металі можливі три шляхи реалізації дифузії

(рисунок 6.8)

Рисунок 6.8 — Механізми дифузії

Перший механізм (1) — обмін атомів місцями; другий механізм (2) — переміщення атомів в міжвузловому просторі; третій механізм (3) — переміщення вакансій.

З енергетичної точки зору простіше здійснити третій механізм потім другий. Реалізація першого механізму малоймовірна.

Якщо в кристалічній гратці переміщуються атоми даного металу має місце гомеодифузія, якщо сторонні атоми (наприклад, другого металу, контактуючого з першим) — гетеродифузія.

Потрібно розрізняти спадну та висхідну дифузію. Дифузія, яка йде в сторону збільшення концентрації називається висхідною (зустрічається дуже рідко). Дифузія, яка йде в сторону зменшення концентрації називається спадною.

Процеси дифузії описуються двома законами Фіка.

6.18.1 Перший закон Фіка

Рівняння першого закону має вигляд

, (6.125)

де D — коефіцієнт дифузії.

Кількість продифундованної речовини dM скрізь площадку dS за час dt, пропорційна градієнту концентрації .

Коефіцієнт дифузії — це кількість продифундованної речовини скрізь одиницю поверхні в одиницю часу при градієнті концентрації дорівнюючому одиниці. Знак “–” вказує на спадну дифузію, тобто напрямок градієнту концентрації не співпадає з напрямком дифузії.

Цей закон слушний для малих концентрацій розчинених речовин.

6.18.2 Другий закон Фіка

Так як процес дифузії аналогічний розповсюдженню теплоти, то рівняння дифузії подібне рівнянню теплопровідності і має вигляд

, (6.126)

де D_x, D_y, D_z — коефіцієнти дифузії по осям X, Y, Z.

З другого закону маємо, що коефіцієнт дифузії анізотропний.

Якщо припустити, що

, (6.127)

тоді (6.126) має вигляд

, (6.128)

де — оператор Лапласа.

Простішим варіантом дифузії є лінійна дифузія (6.129).

. (6.129)

Тоді (6.126) має вигляд

. (6.130)

Якщо проінтегрувати (6.130) маємо

, (6.131)

де Ф₀ — функція Крампа, значення якої знаходяться з таблиць, в

залежності від D, x, t.

6.18.3 Фактори, які впливають на величину коефіцієнта

дифузії

Головними факторами, які впливають на коефіцієнт дифузії є:

1) величина температури;

2) природа речовини;

3) концентрація розчиненої речовини;

4) наявність третього компоненту.

Залежність коефіцієнту дифузії від температури описується формулою (6.132)

. (6.132)

Логарифмуючи отримаємо

, (6.133)

, (6.134)

де D — коефіцієнт дифузії;

R — газова постійна;

T — температура;

А — коефіцієнт, який залежить від типу кристалічної гратки;

a — міжатомна відстань;

N — постійна Авагадро;

h — постійна Планка;

Q — робота розпушення кристалічної гратки.

Чим вище Q, тим міцніше кристалічна гратка, тим менші швидкість дифузії та коефіцієнт дифузії.

Чим більш відрізняються взаємодіючі речовини по фізико–хімічним властивостям, тим активніше іде процес дифузії. Чим далі елементи розташовані в періодичній таблиці Мендєлєєва, тим менш робота розпушення. Чим більше дефектів в кристалічній гратці, тим більший коефіцієнт дифузії, тому найбільш інтенсивніше дифузія іде по межі фаз, зерен, скрізь вільні поверхні, де викривлення кристалічної гратки завжди найбільші.

Вплив концентрації описується формулою (6.135)

, (6.135)

де с_т — концентрація речовини, що дифундує;

сх.— гранична концентрація, яка відповідає насиченню твердого розчину;

D₀ — граничне значення коефіцієнту дифузії, при зменшенні концентрації речовини, що дифундує, до нуля.

З (6.135) маємо, що на різних відстанях від поверхні, величина коефіцієнту дифузії різна.

Вплив наявності третього компоненту подвійний:

1. Третій компонент буде займати вільні вакансії, тим самим заважаючи процесу дифузії.

2. Треті компоненти розташовуються між вузлами кристалічної гратки, що веде до збільшення її викривлення і полегшення процесу дифузії.

6.18.4 Приклади протікання дифузійних процесів при

дуговому зварюванні плавленням

Дифузія при зварюванні плавленням може проходить:

1. В твердій фазі.

2. В рідинній фазі.

3. Між твердими та рідинними фазами.

4. Між рідиною та газоподібною фазами.

Приклади негативного впливу дифузії.

Якщо шов, що за кристалізувався, знаходиться багато часу вище температури Aс₃ по діаграмі «Fe – Fe₃C», то дифузійні процеси спричиняють ріст зерен та зниження міцності зварного шва.

При зварюванні вуглецевих сталей з нержавіючими сталями відбувається насичення вуглецем останньої.

У зоні зварювання має місце дифузія водню з більш гарячих

ділянок в більш холодні, де після кристалізації з’являються пори та тріщини.

Приклади позитивного впливу дифузії.

Головним позитивним впливом процесів дифузії є вирівнювання хімічного складу зварного шва.