3. Типы диффузии

Диффузия – пр-с переноса вещества в металлах и сплавах.

Процессы обмена мест.

Обмен мест атомами однородного вещества называется процессом самодиффузии (приводит к выравниванию концентраций).

Обмен мест атомами различных веществ называется гетеродиффузией и происходит, когда вещества образуют твердый раствор.

Выделяют атомную диффузию, при которой в диффузионной зоне в процессе диффузии не образуется фаза с новой кристаллической решеткой. При атомной диффузии диффузионная зона представляет собой твердый раствор диффундирующего элемента в решетке основного металла-растворителя.

При реактивной диффузии в диффузионной зоне образуются фазы с кристаллической решеткой, отличающейся от решетки основного металла.

Толщина однофазных слоев в многофазном диффузионном слое при взаимной диффузии зависит от скорости диффузии в самом однофазном слое и в соседних слоях. При этом перемещение межфазных границ раздела подчиняется следующему правилу: если диффузионные процессы стремятся понизить концентрацию какого-либо компонента на границе раздела, то граница раздела перемещается в сторону фазы с большей концентрацией этого компонента. Если диффузионные процессы стремятся повысить концентрацию компонента на границе раздела, то граница раздела перемещается в сторону фазы с меньшей концентрацией этого компонента.

При взаимной (реактивной) диффузии, измеряя глубину диффузионного слоя, можно определить коэффициент диффузии по формулеD =tX²

где X – средняя глубина диффузионного слоя (для расчета берется половина

глубины диффузионного слоя), см;

t – время диффузионного процесса, с.

4. Физ. Смысл пар-ов диффузии.

1й з-н Фика:

j-диффузионный поток атомов;

D-коэффициент диффузии;

-градиент концентраций.

Часто направление векторов потока и градиентов не совпадают друг с другом, D – тензор. В случае поликристалла:

или

2й Закон Фика.

Описывает непрерывность диффузионного потока во времени:

Уравнение Аррениуса:

Q-энергия активация диффузии. Физический смысл: Энергия, котрую нужно преодолеть для перемещения атома из одного места в другое.

Обе величины Q и D0 не зависят от температуры и приведены в справочных данных.

Коэффициент диффузии зависит от компактности кристаллической решетки.

Коэффициент диффузии металлоидных атомов по междоузлиям кристаллической решетки в твердых растворах внедрения значительно превышает коэффициент диффузии металлических атомов по вакансиям в твердых растворах замещения.

Следует отметить, что дислокации и границы зерен оказывают существенное влияние на диффузионный массоперенос, ускоряя его при пониженных температурах. На рис. 4.4 схематично представлена температурная зависимость коэффициента диффузии в поликристалле, характеризующаяся отклонением от закона Аррениуса при температурах менее 0,5 Тпл.

Как видно из рис. 4.4, диффузия по дефектам кристаллического строения наиболее значима при пониженных температурах (Т < 0,5 Тпл, область II на рис. 4.4). При температурах выше 0,5 Тпл (область I на рис. 3) основным механизмом самодиффузии и диффузии в твердых растворах замещения является вакансионный, а примесных атомов в твердых растворах внедрения – межузельный. Коэффициент зернограничной диффузии существенно больше, чем коэффициент объемной диффузии.

Таким образом, коэффициент диффузии является некоторой средней величиной между коэффициентами межзеренной и объемной диффузии.

Пластическая деформация увеличивает коэффициент диффузии, т.к. пластическая деформация увеличивает плотность дефектов кристаллической решетки.