Материаловедение

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:

D Do exp( RTQ )

где Do - постоянная, определяется типом кристаллической решетки, Q - энергия

активации самодиффузии.

Параметры самодиффузии некоторых металлов:

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

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 lnD 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