§ 8. Дифузія.

Багато процесів, що протікають у металах і сплавах (процес кристалізації, фазові перетворення, рекристалізація, процеси насичення поверхні іншими компонентами), носять дифузійний характер.

Під дифузією розуміють переміщення атомів у кристалічному тілі на відстань, що перевищують середні межатомные відстані даної речовини.

Якщо переміщення атомів не связанны зі зміною концентрації в певних об'ємах, то такий процес наз. самодифузією.

Переміщення атомів, що супроводжується зміною концентрації, відбувається в сплавах або в металах з підвищеним змістом домішок і наз. дифузією або гетеродиффузией.

В основі процесу дифузії в кристалах лежить атомний механізм, при якому кожний атом робить більш-менш випадкові блукання, тобто ряд стрибків між різними рівноважними положеннями в решітці.

Для опису процесу дифузії у твердому кристалічному тілі існують кілька можливих механізмів: циклічний, обмінний, вакансионный і межузельный.

У металах дифузія переважно здійснюється по вакансионному механізму. На місце вакансії 1 може переміститися атом 2, що володіє підвищеною енергією. Вакансія виявиться на колишнім місці цього атома, і її може зайняти атом 3 і т.д. Енергія активації дифузії характеризує енергію зв'язку атомів у кристалічній решітці. Чим вище її значення, тим більше величина енергії, необхідної для переходу атомів з одного рівноважного положення, в інше, теж рівноважне. Необхідний для такого переходу надлишок енергії здобувається атомом завдяки тому, що атоми безупинно обмінюються кінетичною енергією.

Найбільше повно дифузія протікає по поверхні й границям зерен, де зосереджені дефекти кристалічної будови (вакансії, дислокації).

§ 9. Кристалізація металів.

Перехід металу з рідкого або пароподібного стану у тверде з утворенням кристалічної структури наз. первинною кристалізацією.

Утворення нових кристалів у твердій кристалічній речовині наз. вторинною кристалізацією.

Процес кристалізації складається із двох одночасно, що йдуть процесів, – зародження й росту кристалів.

Кристали можуть зароджуватися мимовільно (мимовільна кристалізація) або рости на наявних готових центрах кристалізації (немимовільна кристалізація).

Мимовільна кристалізація обумовлена прагненням речовини мати більше стійкий стан, характеризуемое меншою вільною енергією або термодинамічним потенціалом, тобто коли вільна енергія кристала менше вільної енергії рідкої фази.

Зміна вільної енергії рідкого й твердого стану залежно від температури наведено на малюнку:

Кристалізація Плавлення

Т₀ – ступінь переохолодження

Т₀=Т_П.К. – Т_К.

Т_П - ступінь перенагрівання

Т_П=Т_П – Т_П.К

Вище температури Т_П.До більше стійкий рідкий метал, що має менший запас вільної енергії, а нижче цієї температури стійкий твердий метал. При температурі Т_П.К. величини вільних енергій рідкого й твердого станів рівні. Температура Т_П.К. відповідає рівноважній температурі кристалізації (або плавлення) даної речовини, при якій обидві фази (рідк і тверда) можуть існувати одночасно й при тім нескінченно довго. Процес кристалізації при даній температурі ще не починається. Процес кристалізації розвивається, якщо створені умови, коли виникає різницю вільних енергій f₀ , що утвориться внаслідок меншої вільної енергії твердого металу в порівнянні з рідким.

Отже, процес кристалізації може протікати тільки при переохолодженні металу нижче рівноважної температури Т_П.К.. Різниця між температурами Т_П.К. і Т_К, при яких може протікати процес кристалізації, зветься ступеня переохолодження

Т=Т_П.К. – Т_К.

Термічні криві, що характеризують процес кристалізації чистих металів при охолодженні з різною швидкістю V, дані на малюнку:

При дуже повільному охолодженні (V₁) ступінь переохолодження Т₁ невеликий і процес кристалізації протікає при температурі, близької до рівноважного. На термічній кривій при температурі кристалізації відзначається горизонтальна площадка (зупинка в спаді температури), утворення якої пояснюється виділенням схованої теплоти кристалізації, незважаючи на відвід теплоти при охолодженні.

Зі збільшенням швидкості охолодження ступінь переохолодження зростає (V₂ і V₃) і процес кристалізації протікає при температурах, що лежать значно нижче рівноважної температури кристалізації.

Ступінь переохолодження залежить від природи й чистоти металу. Ніж чистіше рідкий метал, тим більше він схильний до переохолодження. При затвердінні дуже чистих металів ступінь переохолодження Т може бути дуже велика.У свинцю наприклад 80?З, а в нікелю - 319?З, Co - 330?З, Fe - 29?З (при більших швидкостях охолодження). Звичайний ступінь переохолодження металів при кристалізації у виробничих умовах коливається від 10 до 30?.

Ступінь перенагрівання при плавленні металів. Як правило, не перевищує декількох градусів.