Лабораторная Работа № 2 Диффузия цинка из латуни в медь (эффект Киркендалла)
2.1 Цель проведения лабораторной работы
Экспериментально установить неодинаковость коэффициентов диффузии в бинарном сплаве системы А – В.
2.2 Основные теоретические положения
Неодинаковость коэффициентов диффузии DA и DB в бинарном сплаве А-В приводит к некоторым особенностям протекания процесса диффузии, наблюдаемым при экспериментальных исследованиях. Сюда относится хорошо известный эффект Киркендалла, обнаруженный в работах Смигельскаса и Киркендалла. В этих опытах на брусок из α-латуни (сплав 70% меди и 30% цинка) помещались маркирующие его поверхность молибденовые проволочки и снаружи брусок покрывали слоем меди (рис. 2.1).
|
Рис. 2.1 - Схема диффузионного эксперимента: 1 – пруток α – латуни; 2 – слой меди; 3 – молибденовая проволока. |
Такой образец подвергался длительному отжигу в течение 56 сут при 1058 К. через границу раздела, маркированную проволочками молибдена, происходила диффузия, которая уменьшала расстояние d между метками, расположенными на противоположных сторонах образца. Оказалось, что смещение проволочек приблизительно пропорционально квадратному корню из времени отжига, что подтверждает диффузионных характер этого эффекта.
Более поздние исследования металлов с ГЦК - и ОЦК - решеткой подтвердили результаты Смигельскаса и Киркендалла. Анализ экспериментальных данных показал, что в этих опытах даже при одинаковых градиентах концентраций компонентов наблюдаются различные плотности потоков, а, следовательно, имеются различные коэффициенты диффузии, поэтому различаются подвижности атомов ВА и ВВ.
Различие в потоках приводит к тому, что за время диффузии большее количество атомов уходит из латуни в медь, чем приходит в латунь атомов меди. В результате граница раздела медь – латунь перемещается, что вызывает сближение молибденовых проволочек.
В 1948 г. Даркен опубликовал анализ диффузии в сплавах, вытекающих из опытов Смигельскаса и Киркендалла. Стало бесспорным, что следует различать два коэффициента диффузии DA и DB. Измеряемый на опыте коэффициент взаимной диффузии DAB выражается соотношением
DAB = NDB + NDA, (1)
где NA и NB – атомные доли компонентов А и В в бинарном сплаве.
Обнаруженный эффект, заключающийся в перемещении граничной плоскости, назван эффектом Киркендалла. Наблюдаемое явление состоит в том, что в области кристалла, обогащенной высокоподвижным компонентом, уменьшается общее число кристаллографических узлов, что приводит к уменьшению объема этой области.
Заметим, однако, что вследствие оттока высокоподвижных атомов могут образовываться вакансии (объем области, обогащенной высокоподвижным компонентом, при этом остается неизменным), которые в свою очередь коагулируют с образованием пор. Развитие такого рода пористости получило название эффекта Френкеля.
2.3 Приборы и принадлежности
Приборы: муфельная электрическая печь с автоматическим регулятором температуры, оптический металлографический микроскоп.
Принадлежности: образец меди 30х20х4 мм, образец латуни 30х20х2 мм, струбцина, молибденовая проволока, шлифовальная бумага.
2.4 Порядок проведения работы
2.4.1 Включить электрическую печь. Терморегулятор установить в положение, которое соответствует температуре проведения эксперимента (750°С).
2.4.2 Образцы меди и латуни зачистить шлифовальной бумагой и обезжирить спиртом.
2.4.3 Собрать в соответствии с рисунком 2.2 схему диффузионного эксперимента. Для этого стянуть струбциной (1) медную (2) и латунную (3) пластины, проложив между ними молибденовые проволоки (4).
Рис. 2.2 – Схема диффузионного эксперимента: 1 – струбцина, 2 – медная пластина, 3 – латунная пластина, 4 – метка из молибденовой проволоки.
2.4.4 Поместить собранную схему в нагретую печь и выдержать 3 суток.
2.4.5 Извлечь из печи, охладить на воздухе и снять с образца струбцину.
2.4.6 Подготовить образец для выявления микроструктуры на оптическом микроскопе (выполняется преподавателем).
2.4.7 Измерить на оптическом микроскопе с помощью объект-микрометра величину d - расстояние между осью расположения меток и границей раздела латуни и меди.
Рис. 2.3 – Схематическое изображение структуры полученной после диффузионного эксперимента.
2.4.8 Занести полученные данные в тетрадь.