2.3.4. Диффузия в жидких металлах и сплавах

ти с большей концентрацией в область с меньшей (или нулевой) кон­ центрацией. Таким путем происходит выравнивание состава вещест­ ва по всему объему. Это явление объясняется беспорядочным тепло­ вым движением.

Количество вещества, переходящего за единицу времени (1 с) через единичную площадку (1 см2) перпендикулярно направлению движения х, называется диффузионным потоком вещества J [г/(см2 с)]. Поток считается положительным, если направлен в сторо­ ну с меньшей концентрацией С. Поскольку концентрация С в этом направлении убывает, то ее изменение, приходящееся на единицу длины (так называемый градиент концентрации dC/dx [г/(см3 -см)]), будет отрицательным, т.е. обратным знаку потока. В соответствии с законом Фика величина диффузионного потока прямо пропорцио­ нальна градиенту концентрации:

J = - DdC/dx,

где D - коэффициент пропорциональности, называемый коэффици­ ентом диффузии, см 2/с. Численное значение коэффициента диффу­ зии, а значит, и величина диффузионного потока в первую очередь зависит от агрегатного состояния вещества. Быстрее всего диффузия протекает в газах, медленнее - в жидкостях и совсем медленно - в твердых телах. Вот некоторые примеры, характеризующие ско­ рость диффузии в разных средах. Коэффициент диффузии углеки­ слого газа в метане равен 1,153 см2/с (при О°С и р = 1 ат), а сахара в воде при 20 °С лишь 0,3• 10“5 см2/с. Коэффициент диффузии иона железа в расплавленном шлаке колеблется в пределах (I-^-IO ^CMVC. Если диффузия протекает в твердом теле, то размерность времени в коэффициенте диффузии с секунд может меняться на годы. Да­ же вблизи от температуры плавления коэффициент самодиффузии

утвердых металлов имеет порядок 1(Г7-1(Г8

Вчистых металлах D обозначает коэффициент самодиффузии.

Для подавляющего большинства металлов коэффициент диффузии (или коэффициент самодиффузии) около температуры кристаллиза­ ции составляет (1-10)* 1(Г5 см/с.

Большое влияние на коэффициент диффузии оказывает температура. Они связаны между собой экспоненциальным урав­ нением

D = DQexp(- Q/ RT),

где Q - энергия активации; R - газовая постоянная.

В расплавленных чистых металлах коэффициент диффузии воз­ растает в 1,5-2,5 раза при нагреве на 100 градусов. Диффузионный перенос в жидких сплавах определяется коэффициентом взаимной диффузии. Его приближенно принимают равным коэффициенту самодиффузии основы сплава, хотя коэффициенты диффузии различ­ ных компонентов в данной основе должны иметь различные значе­ ния. Больше всего влияет на диффузию размер атома растворяюще­ гося элемента. Так, величина коэффициента диффузии кислорода и углерода при растворении в расплаве возрастает на порядок и со­ ставляет (1-5)10-4 см/с. Еще выше скорость диффузии в расплаве водорода - 1 *10 3 см2/с. Несмотря на резкое возрастание коэффици­ ента самодиффузии при плавлении, скорость растворения компонен­ тов сплавов мала. Необходимо его принудительное перемешивание.

Вопросы для самоконтроля

1.В чем ценность модельных теорий строения жидкости?

2.Какие группы модельных теорий конкурируют между собой?

3.В чем суть модели жестких сфер?

4.Назовите основные характеристики модели жестких сфер.

5.Какие идеи положены в основу модели Бернала?

6.Каков порядок симметрии в расположении атомов в жидко­ сти, по Берналу?

7.В чем заключено основное положение теории Я. Френкеля?

8.Кто первым употребил термин «ближний порядок»?

9.Что такое сиботаксис? В какой модельной теории использо­ ван этот термин?

10.Какие термины использовались для обозначения группиро вок атомов в жидкостях?

И. Можно ли рассчитать число атомов в кластерах и их размеры?

12.Какие жидкости называют гомогенными, а какие гетеро­ генными?

13.Почему расплавленные сплавы можно отнести к гетероген­ ным жидкостям?