§ 8. Диффузия.

Многие процессы, протекающие в металлах и сплавах (процесс кристаллизации, фазовые превращения, рекристаллизация, процессы насыщения поверхности другими компонентами), носят диффузионный характер.

Под диффузией понимаютперемещение атомов в кристаллическом теле на расстояние, превышающие средние межатомные расстояния данного вещества.

Если перемещения атомов не связанны с изменением концентрации в определённых объёмах, то такой процесс наз. самодиффузией.

Перемещение атомов, сопровождающееся изменением концентрации, происходит в сплавах или в металлах с повышенным содержанием примесей и наз. диффузией или гетеродиффузией.

В основе процесса диффузии в кристаллах лежит атомный механизм, при котором каждый атом совершает более или менее случайные блуждания, т. е. ряд скачков между различными равновесными положениями в решётке.

Для описания процесса диффузии в твёрдом кристаллическом теле существуют несколько возможных механизмов: циклический, обменный, вакансионный и межузельный.

В металлахдиффузия преимущественно осуществляется повакансионномумеханизму. На место вакансии 1 может переместиться атом 2, обладающий повышенной энергией. Вакансия окажется на бывшем месте этого атома, и её может занять атом 3 и т.д. Энергия активации диффузии характеризует энергию связи атомов в кристаллической решётке. Чем выше её значение, тем больше величина энергии, необходимой для перехода атомов из одного равновесного положения, в другое, тоже равновесное. Требуемый для такого перехода избыток энергии приобретается атомом благодаря тому, что атомы непрерывно обмениваются кинетической энергией.

Наиболее полно диффузия протекает по поверхности и границам зёрен, где сосредоточены дефекты кристаллического строения (вакансии, дислокации).

§ 9. Кристаллизация металлов.

Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твёрдое с образованием кристаллической структуры наз. первичной кристаллизацией.

Образование новых кристаллов в твёрдом кристаллическом веществе наз. вторичной кристаллизацией.

Процесс кристаллизации состоит из двух одновременно идущих процессов – зарождения и роста кристаллов.

Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно(самопроизвольная кристаллизация) илирастина имеющихсяготовых центрахкристаллизации (несамопроизвольная кристаллизация).

Самопроизвольная кристаллизацияобусловлена стремлением вещества иметь более устойчивое состояние, характеризуемоеменьшей свободной энергиейилитермодинамическим потенциалом, т. е. когда свободная энергия кристалла меньше свободной энергии жидкой фазы.

Изменение свободной энергии жидкого и твёрдого состояния в зависимости от температуры приведено на рисунке:

Кристаллизация Плавление

Т₀– степень переохлаждения

Т₀=Т_П.К.– Т_К.

Т_П - степень перенагрева

Т_П=Т_П– Т_П.К

Выше температуры Т_П.Кболее устойчив жидкий металл, имеющий меньший запас свободной энергии, а ниже этой температуры устойчив твёрдый металл. При температуре Т_П.К.величины свободных энергий жидкого и твёрдого состояний равны. ТемператураТ_П.К. соответствуетравновесной температуре кристаллизации(или плавления) данного вещества, при которой обе фазы (жидкая и твёрдая) могут существовать одновременно и при том бесконечно долго. Процесс кристаллизации при данной температуре ещё не начинается. Процесс кристаллизации развивается, если созданы условия, когда возникает разность свободных энергийf₀, образующаяся вследствие меньшей свободной энергии твёрдого металла по сравнению с жидким.

Следовательно, процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Т_П.К.. Разность между температурами Т_П.К.и Т_К, при которых может протекать процесс кристаллизации, носит названиестепени переохлаждения

Т=Т_П.К.– Т_К.

Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью V, даны на рисунке:

При очень медленном охлаждении (V₁) степень переохлажденияТ₁невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре, близкой к равновесной. На термической кривой при температуре кристаллизации отмечается горизонтальная площадка (остановка в падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, несмотря на отвод теплоты при охлаждении.

С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (V₂иV₃) и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации.

Степень переохлаждения зависит от природы и чистоты металла. Чем чище жидкий металл, тем более он склонен к переохлаждению. При затвердевании очень чистых металлов степень переохлаждения Т может быть очень велика. У свинца например 80ºС, а у никеля – 319ºС,Co– 330ºС,Fe– 29ºС (при больших скоростях охлаждения). Обычная степень переохлаждения металлов при кристаллизации в производственных условиях колеблется от 10 до 30º.

Степень перенагрева при плавлении металлов. Как правило, не превышает нескольких градусов.