Что такое диффузия металла
Обновлено: 04.10.2024
Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Гусев Андрей Дмитриевич
В статье разобраны процессы диффузии , влияние некоторых факторов на характер протекания процесса , и основные уравнения диффузии .
Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Гусев Андрей Дмитриевич
Производство сверхпроводниковых материалов со структурой а15 для магнитной системы международного термоядерного реактора (iter)
Интерпретация зависимостей распределения состава наноструктурных сплавов, формируемых интенсивной пластической деформацией, от температуры деформации
Текст научной работы на тему «Процессы диффузии в металлах и сплавах»
ПРОЦЕССЫ ДИФФУЗИИ В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ
Гусев Андрей Дмитриевич - студент, кафедра физики металлов и материаловедения, Тульский государственный университет, г. Тула
Аннотация: в статье разобраны процессы диффузии, влияние некоторых факторов на характер протекания процесса, и основные уравнения диффузии. Ключевые слова: диффузия, температура, процесс, металлы, сплавы, слой.
Диффузия - это процесс переноса части вещества, происходящий из-за блуждания атомов, электронов молекул и т.п. (рис. 1). В металлах диффузионные частицы движутся случайно-периодическим образом и представляют собой скачки из одного узла кристаллической решетки в другой ближний или в вакансию.
Рис. 1. Схематичное изображение процесса диффузии Общие положения.
Диффузии приводит к образованию так называемого диффузионного слоя, который представляет собой слой металла у поверхности, отличающийся от внутреннего по физико-химическим и иным характеристикам, составу. Так, золото проникнет в свинец (и наоборот) при опыте, заключаемся в том, что один слиток кладется на другой и через 5 лет смешанный слой составит около 1 мм.
Рис. 2. Диффузия золота и свинца
Многие процессы, развивающиеся в материале (включая металлы) при любых температурных режимах, сопряжены с диффузией или самодиффузией.
Самодиффузия - переход атомов вещества из оного узла кристаллической решетки в соседний или в междоузлие под действием повышенных температур.
Диффузия зависит от многих факторов, в том числе от: свойств материалов, температуры протекания процесса, приложенных сил и воздействий, размеров зерен металлов (рис. 3) и т.п.
Рис. 3. Зависимость диффузии от температуры и размеров зерен:1 - мелкое зерно, 2 - крупное
Основные уравнения диффузии [1].
Первое уравнение Фика позволяет определить суммарный поток атомов (]) в единицу времени между двумя соседними плоскостями кристаллической решетки, расположенными на расстоянии А (принимается, что скачки атомов в двух противоположных направлениях равновероятны):
где т0 - среднее время между скачками атомов, с.
Суммарный поток атомов рассчитывается по формуле (3): ■ _ ■ ■ _ А
2т0(с1 - с2) Список литературы
1. Бокштейн Б.С., Ярославцев А.Б. Диффузия атомов и ионов в твердых телах. М.: МИСИС, 2005. 362 с.
Что такое диффузия металла
Несмотря на то, что для твердого тела характерно упорядоченное расположение атомов в кристаллической решетке, перемещение атомов возможно и в нем. Тепловые движения, которые в основном имеют характер малых колебаний, в некоторых случаях приводят к тому, что атомы вовсе покидают свои места в решетке. О возможности таких срывов атомов свидетельствует уже тот факт, что твердые тела могут испаряться. Правда, при испарении отрыв атомов происходит в поверхностном слое, но нет оснований утверждать, что такой отрыв невозможен и внутри тела.
Именно благодаря тому, что атомы покидают свои места в узлах решетки, возникают некоторые дефекты в кристаллах —такие, как дефекты типа Шоттки и Френкеля. С этими срывами атомов и их последующим перемещением в кристалле связана и диффузия в твердых телах.
Так же, как в газах, частицы в твердых телах имеют различные энергии тепловых движений. И при любой температуре имеется определенная часть атомов, энергия которых значительно превосходит среднюю и достаточно велика для того, чтобы они могли покинуть свое место в решетке, и перейти в новое положение. Чем выше температура, тем таких атомов больше, и поэтому коэффициент диффузии с повышением температуры быстро возрастает (по экспоненциальному закону). Но так как число атомов с достаточно большой энергией всегда мало (если температура много ниже температуры плавления), то процесс диффузии в твердом теле оказывается еще более медленным процессом, чем в газах и жидкостях. Например, коэффициент диффузии меди в золото при
300 °С равен Для сравнения укажем, что при диффузии водного раствора метилового спирта в воду а диффузия аргона в гелий идет с Тем не менее диффузия в твердых телах играет большую роль в целом ряде процессов. Она наблюдается как в однокомпонентном (в этом случае говорят о самодиффузни), так и в многокомпонентных веществах, в моно- и в поликристаллах.
Опыт (в частности, исследования с помощью так называемых меченых атомов) показывает, что диффузия в твердых телах осуществляется главным образом следующими тремя способами:
1. Соседние атомы в решетке обмениваются местами в решетке, как это показано на рис. 198. Обмен этот может, например, явиться следствием поворота участвующей в ней пары атомов вокруг средней точки.
2. Атом, находящийся на «своем» месте в узле решетки, покидает его и располагается в междоузлии, а затем мигрирует в междоузлиях (рис. 199).
3. Атомы из узлов решетки переходят в незанятые узлы, так называемые вакансии (рис. 200). Этот последний процесс возможен только в дефектных кристаллах, так как вакансии являются, конечно, дефектами кристалла. Очевидно, что переход атомов на вакантные места эквивалентен перемещению самих вакансий в направлении, обратном направлению движения атомов.
Наиболее важную роль играет, по-видимому, последний механизм диффузии. Для его осуществления в твердом теле должен существовать градиент плотности вакансий, так что атомы (а значит и вакансии) чаще перемещаются в одном направлении, чем в другом. В поликристаллах важную роль играет процесс заполнения вакансий на границах кристалликов (зерен). По-видимому, в процессе создания вакансий, без которых невозможна диффузия, важную роль играют дислокации.
При экспериментальном изучении диффузии в твердых телах исследуемые вещества приводятся в надежный контакт друг с другом и затем длительное время выдерживаются при той или иной температуре опыта. После такой выдержки снимаются последовательно тонкие слои, перпендикулярные к направлению диффузии, и исследуются концентрации продиффундировавших веществ в зависимости от расстояния до места контакта.
В последнее время широко используются искусственные радиоактивные вещества, присутствие которых легко обнаруживается по их излучению.
Этот метод (метод меченых атомов) позволяет исследовать и явление самодиффузии, т. е. диффузии в твердом теле атомов самого этого тела.
Общий закон диффузии в твердых телах — такой же, как в газах и жидкостях. Это - закон Фика, о котором мы не раз упоминали.
Что касается коэффициента диффузии то выражение для него можно получить из соображений, сходных с теми, которые были приведены на стр. 318 в связи с вопросом о диффузии в жидкостях. Ведь диффузия в твердом теле тоже осуществляется скачками атомов из их положений равновесия в узлах кристаллической решетки. Но теперь о дальности скачка можно вполне определенно сказать, что она равна постоянной решетки а.
Необходимо, однако, иметь в виду, что при вэкансионном механизме диффузии атом из узла решетки может совершить скачок только в том случае, - если соседний узел пустует, если он представляет собой вакансию, как это показано на рис. 200. Но даже и при таком соседстве атому необходима добавочная энергия чтобы скачок в вакансию состоялся. Ведь в узле решетки потенциальная энергия атома минимальна. Поэтому любое смещение атома из узла, включая и смещение в соседнюю вакансию, требует добавочную энергию, которую он с некоторой вероятностью может получить в результате флуктуации. Эта вероятность, как всегда, определяется законом Больцмана:
Здесь -энергия, необходимая для скачка из узла решетки, энергия перемещения атома в вакансию.
По соображениям, приведенным на стр. 318, коэффициент самодиффузии в твердом теле может быть записан в виде:
где а — постоянная решетки и среднее время пребывания атома в узле решетки. Это время, очевидно, тем меньше, чем больше вероятность образования вакансии рядом с атомом и чем больше вероятность
того, что атом получит энергию перемещения На стр. 319 мы видели, что вероятность образования вакансии равна Теперь мы видим, что вероятность того, что атом получит энергию равна Поэтому выражение для коэффициента диффузии может) быть записано в виде:
Множитель (так называемый предэкспоненциальный множитель) — постоянная, характерная для данного вещества. Величина равная сумме энергии образования вакансии и энергии перемещения атома в вакансию, называется энергией активации диффузии и тоже является величиной, характерной для вещества.
Коэффициент диффузии в твердых телах очень мал. Для золота, например, при комнатной температуре он порядка Даже вблизи температуры плавления золота он достигает значения лишь в Это показывает, как сильно зависит коэффициент диффузии от температуры. 1
Малость коэффициента диффузии в твердых телах объясняется тем, что для того, чтобы диффузионный скачок атома в вакансию состоялся, необходимо, чтобы практически одновременно произошли два, вообще говоря, маловероятных события: чтобы рядом с атомом образовалась вакансия и чтобы сам атом получил в результате флуктуации энергию, достаточную для скачка.
При других механизмах диффузии, при диффузии одних веществ в другие, коэффициент диффузии вычисляется иначе. Об этом читатель узнает из специальных курсов. Но во всех случаях коэффициенты диффузии по абсолютному значению малы. Так, например, коэффициент диффузии серы в железо даже при температуре, близкой к равен приблизительно Но несмотря на малость коэффициентов диффузии в твердых телах, роль диффузии в твердых телах очень велика. Именно диффузия обеспечивает такие явления и процессы в твердых телах, как отжиг для устранения неоднородностей в сплавах, насыщение поверхностей деталей углеродом, азотом и т. д., спекание порошков и другие процессы обработки металлов.
Диффузия в металлах
Доклад по физике 7 класс на тему Диффузия
Кроме броуновского движения, опытным доказательством того, что тела состоят из молекул, которые находятся в непрерывном беспорядочном движении, является диффузия.
Запах духов, как известно, ощущается на довольно большом расстоянии. Объясняется это тем, что пары духов легко диффундируют в воздухе. Капли жидкого красителя в воде легко диффундируют по всему сосуду. Намного труднее наблюдать диффузию в твердом теле. По этой причине изучение диффузии в твердых телах стало одним из наиболее интересных исследований в физике наших дней.
Как и во многих других областях человеческой деятельности, в данном случае умение предшествовало знанию. Столетиями рабочие сваривали металлы и получали сталь нагреванием твердого железа в атмосфере углерода, не имея ни малейшего представления о происходящих при этом диффузионных процессах. Лишь в 1896 г. началось научное изучение проблемы.
Английский металлург Вильям Робертс-Аустин в простом эксперименте измерил диффузию золота в свинце. Он наплавил тонкий диск золота на конец цилиндра из чистого свинца длиной в 1 дюйм (2,45 см), поместил этот цилиндр в печь, где поддерживалась температура около 200 о С, и держал его в печи 10 дней. Затем он разрезал цилиндр на тонкие диски и измерил количество золота, которое продиффундировало в каждый срез свинца.
Оказалось, что к «чистому» концу через весь цилиндр прошло вполне измеримое количество золота; в противоположном направлении в глубь золотого диска продиффундировал свинец.
Рис.1. График, показывающий изменение концентрации золота в цилиндре в зависимости от расстояния до края.
Робертс-Аустин обнаружил, что нагретый металл диффундирует в другой, когда они тесно прижаты друг к другу. С точки зрения атомного строения вещества проницаемость твердых тел не является странной. В настоящее время мы хорошо представляем себе, что даже наиболее твердое тело — всего довольно слабо связанный набор атомов. В кристаллах, образующих металл, атомы располагаются в определенных положениях, из которых их довольно трудно сместить. Такое расположение атомов в кристаллах называют кристаллической решеткой. Однако идеальных и полностью застроенных решеток не существует. В них всегда имеется некоторое количество пустых мест — вакансий, или дырок, в которые могут перепрыгнуть диффундирующие атомы. Перепрыгнув в некую вакансию, атом оставляет после себя новую вакансию. В нее может перейти соседний атом; итак, путем непрерывных перемещений атомов в решетке атом может пройти через кристалл.
Рис. 2. Иллюстрация диффузии золота в кристалле свинца.
Что же заставляет атом покидать свое место в решетке и «перескакивать» в вакансию? Дело в том, что атомы непрерывно колеблются относительно некоторого среднего положения. Время от времени они настолько далеко отходят от своего положения равновесия, что могут перескочить в соседнее вакантное место. Возможность этого, безусловно, резко возрастает, если тело подогревают, заставляя тем самым атомы совершать более сильные колебания.
В эксперименте Робертса-Аустина атомы золота при 200 о С колебались достаточно быстро. чтобы начать перескакивать в вакансии решетки (то же имело место и для атомов свинца). В конце концов, если бы эксперимент продолжался очень долго, атомы золота равномерно распределились бы по всему свинцовому цилиндру.
Рис. 3. Атомы золота ищут вакансию в кристаллической решетке свинца.
Металл может диффундировать в другой металл лишь при наличии вакансий в кристаллических решетках, поскольку атомы даже двух разных металлов имеют размеры примерно одного и того же порядка. Однако атомы неметаллического элемента, размеры которых много меньше, чем размеры атомов металла, могут «втиснуться» между атомами в металлическом кристалле. При этом диффузия не зависит от вакансий, и, следовательно, происходит намного быстрее. Одним из наиболее важных примеров такого случая может служить диффузия углерода в железе.
Рис. 4. Диффузия углерода в железе
В своей наипростейшей форме сталь является сплавом углерода и железа. Свойства стали меняются в зависимости от содержания в сплаве углерода.
Рис.5. Атомы углерода удобно размещаются между атомами железа.
Сталь с небольшим содержанием углерода (например, около 0,25%) не очень прочна и хорошо куется. Повышение содержания углерода делает сталь более прочной, но более хрупкой. Такая деталь машины, как передаточный механизм, должна обладать твердой поверхностью, чтобы сопротивляться износу, и быть достаточно упругой в своих внутренних частях, чтобы не сломаться при внезапных ударах. Эти свойства приобретаются в следующем процессе. Кусок металла разогревается и выдерживается в газе, богатом углеродом, например в метане. Атомы углерода из газа немедленно диффундируют в сталь. Через несколько часов они проникают на глубину около одной двенадцатой дюйма (примерно на 2 мм). Поверхность или «оболочка» этого куска стали после такой обработки содержит около 1,2% углерода, тогда как внутренняя его часть содержит всего лишь 0,25% углерода.
6. Диффузия в металлах
Диффузия – это перенос вещества, обусловленный беспорядочным тепловым движением диффундирующих частиц. При диффузии газа его молекулы меняют направление движения при столкновении с другими молекулами Основными типами движения при диффузии в твердых телах являются случайные периодические скачки атомов из узла кристаллической решетки в соседний узел или вакансию.
Развитие процесса диффузии приводит к образованию диффузионного слоя, под которым понимают слой материала детали у поверхности насыщения, отличающийся от исходного по химическому составу, структуре и свойствам.
Диффузионное движение любого атома – это случайное блуждание из-за большой амплитуды колебаний, которое не зависит ни от движения других атомов, ни от предыдущего движения данного атома. Не зависящие от температуры колебания атомов вокруг положения равновесия обычно происходят с частотой ~10 13 с –1
Вопрос определения механизма диффузии является весьма сложным. Большую роль в решении этой проблемы сыграли работы Я.И. Френкеля, в которых показано огромное влияние дефектов кристаллической решетки, в особенности вакансий, на процесс диффузионного перемещения атомов. Наиболее затруднительным является простой обменный механизм диффузии, а наиболее вероятным – вакансионный. Каждому механизму диффузии соответствует определенная энергия активации Q, т. е. величина энергетического барьера, который необходимо преодолеть атому при переходе из одного положения в другое.
Перемещение при краудионном механизме диффузии подобно распространению волны: каждый атом смещается на малую величину, а возмущение распространяется быстро. Для диффузии большое значение имеют вакансии и их ассоциации (бивакансии, комплексы вакансия – атом примеси), а также дефекты, являющиеся их источниками (линейные и поверхностные).
Основным механизмом самодиффузии и диффузии в твердых растворах замещения является вакансионный. В твердых растворах внедрения основным механизмом перемещения примесных атомов небольшого размера является межузельный.
Если два хорошо соединенных между собой куска чистых металлов АиВ длительно отжигать, то будет наблюдаться взаимное проникновение металлов и смещение первоначальной границы раздела, отмеченной инертными метками (оксидными частицами или вольфрамовыми проволочками) на величину ?х, прямо пропорциональную квадратному корню из времени отжига. Если DА > DВ, то компонент А проникает в В с большей скоростью, чем В в А, вследствие этого часть В образца увеличивается в объеме.
Диффузионная металлизация – процесс диффузионного насыщения поверхности изделий металлами или металлоидами. Диффузионное насыщение проводят в порошкообразной смеси, газовой среде или расплавленном металле (если металл имеет низкую температуру плавления).
Борирование – диффузионное насыщение поверхности металлов и сплавов бором для повышения твердости, коррозионной стойкости, износостойкости проводят путем электролиза в расплавленной соли бора. Борирование обеспечивает особенно высокую твердость поверхности, сопротивление износу, повышает коррозионную стойкость и теплостойкость. Борированные стали обладают высокой коррозионной стойкостью в водных растворах соляной, серной и фосфорной кислот. Борирование применяют для чугунных и стальных деталей, работающих в условиях трения в агрессивной среде (в химическом машиностроении).
Хромирование – диффузионное насыщение хромом проводят в порошкообразных смесях хрома или феррохрома с добавками хромистого аммония (1 %) и окиси алюминия (49 %) при температуре 1000…1050 °C с выдержкой 6…12 ч. Хромирование применяют для деталей, которые работают на износ в пароводяных и агрессивных средах (арматура, вентили). При хромировании изделий из малоуглеродистых сталей твердость повышается и приобретается хорошая коррозионная стойкость.
Алитирование – это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя алюминием, проводят в порошкообразных смесях алюминия или в расплавленном алюминии. Цель – получение высокой жаростойкости поверхности стальных деталей. Алитирование проводят в твердых и жидких средах.
Силицирование – диффузионное насыщение кремнием проводят в газовой атмосфере. Насыщенный кремнием слой стальной детали имеет не очень высокую твердость, но высокую коррозионную стойкость и повышенную износостойкость в морской воде, азотной, соляной в серной кислотах. Силицированные детали применяют в химической, целлюлозно-бумажной и нефтяной промышленности. Для повышения жаростойкости силицирование применяют для изделий из сплавов на основе молибдена и вольфрама, обладающих высокой жаропрочностью.
В материаловедении разрабатываются макро– и микроскопические теории диффузии. В макроскопической теории делается акцент на формализме, т. е. на термодинамических силах и параметрах. В микроскопической теории используют механизмы, основанные на теории об атомных скачках.
Читайте также: