Диффузия в металлах

Диффузией называется процесс самопроизвольного распространения вещества в какой-либо газообразной, жидкой или твердой среде.

Явления такого типа, связанные с переносом масс, обусловливаются, главным образом, неогрганизованным тепловым движением молекул и атомов.

Диффузию следует отличать от конвекции. Конве́кция — вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками. Существует т. н. естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легчеи всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. Перемешивание при конвекции можно считать, в большей степени, организованным движением атомов и молекул.

В газообразном и жидком веществах перемена мест атомов и молекул происходит сравнительно легко, вследствие того что связи между этими частицами ослаблены или полностью нарушены.

В твердых кристаллических телах положения атомов фиксированы в узлах кристаллической решетки, однако, и в этом случае блуждание отдельных атомов вещества (миграция) вполне возможно, хотя и происходит менее интенсивно, чем в жидкости или газе.

Чаще всего диффузия протекает в направлении снижения концентрациивещества, но в некоторых условиях может идти и в сторону повышения ее. В первом случае диффузия носит название нисходящей, во втором —восходящей. Результатом нисходящей диффузии является равномерное распределение вещества по объему растворителя, тогда как восходящая диффузия приводит к разделению компонентов.

Основные законы диффузии в металлах.Диффузия подчиняется ваконам, известным под названиемзаконов Фика.

Первый закон диффузии, или первый закон Фика, формулируется так:количество вещества dM, продиффундировавшее за время dt через элемент поверхности dS, пропорционально градиенту концентрации dC/dx

Коэффициент пропорциональности D называетсякоэффициентом диффузии.

Закон Фика справедлив для малых концентраций диффундирующего вещества, далеких от концентрации насыщения.

Процесс диффузии аналогичен распространению тепла посредством теплопроводности. Количество вещества соответствует количеству тепла, а концентрация — температуре. Поэтому второй закон диффузии может быть выведен аналогично уравнению

теплопроводности: Уравнение (V.74) выражает второй закон Фика в самом общем виде в предположении, что коэффициент диффузии сильно зависит от концентрации элемента и различен (анизотропен) в различных направлениях.

1. Влияние на диффузионные процессы некоторых факторов.

Влияние температуры.

Температурная зависимость коэффициента диффузии выражается уравнением

где D—коэффициент диффузии при температуреТ,

R—газовая постоянная;R = 1,987кал/моль • °С;

Т — температура, К;

е—основание натуральных логарифмов;

А—коэффициент, зависящий главным образом от типа кристаллической решетки.

Q — теплота активации при диффузии, или теплота разрыхления кристаллической решетки, отнесенная к одному молю металла растворителя,кал/моль; при самодиффузии она составляет 65—80% теплоты испарения.

Чем больше Q, тем устойчивее, стабильнее структура, меньше D и, следовательно, меньше скорость диффузии.

2. Влияние природы взаимодействующих веществ.

Установлено, что значения коэффициента диффузии D тем выше, чем больше природа диффундирующего элемента отличается от природы растворителя.

Работа разрыхления Q для пар элементов, расположенных далеко друг от друга в таблице Менделеева, снижается.Очевидно по той же причине самодиффузия в большинстве случаев характеризуется большей работой разрыхления (активации) и меньшей скоростью, чем диффузия посторонних элементов.

Самодиффузия,частный случай диффузии в чистом веществе или растворе постоянного состава, при котором диффундируют собственные частицы вещества. При самодиффузии атомы, участвующие в диффузионном движении, обладают одинаковыми химическими свойствами, но могут различаться по своим физическим характеристикам (составом атомного ядра, например,изотопы).

Активность диффузии зависитот того, какойтип раствора (внедрения или замещения) образуют данные элементы.Если атомы диффундирующего вещества располагаются между узлами основной решетки, затраты энергии значительно меньше, так как процесс происходит без вырывания атомов из узлов и их замещения.Диффузия в этом случае протекает быстрее. Например, для азота и углерода, растворяющихся в γ-Fe по типу растворов внедрения, значения Q соответственно равны 34 600 и 31 000кал/(г-атом), тогда как для элементов, образующих твердый раствор замещения,Q значительно выше. Растворы внедрения в железе могут образовывать элементы с атомами малых размеров: Н; N; В; С.

3. Влияние концентрации диффундирующего вещества.

Зависимость скорости диффузии от концентрации диффундирующего элемента выражена уравнением