Г р а н и ч н а я и п о в е р х н о с т н а я д и ф ф у з и я; в л и я н и е р а з м е р а з е р н а н а к о э ф ф и ц и е н т д и ф ф у з и и. По данным многочисленных работ, диффузия в поликристаллических металлах значительно интенсивнее, чем в монокристальных. Так, например, при 16000С коэффициент диффузии Мо в поликристаллическом W со средним размером зерна 20 мкм в 10 раз выше, чем в монокристалле W. Различие в скоростях диффузии для монокристаллов и поликристаллических веществ обусловлено тем, что диффузия по границам зерен происходит быстрее, чем по объему кристалла.
Влиянием граничной диффузии следует объяснить различия диффузионных констант для диффузии Th в поликристаллическом вольфраме с разной величиной зерна и в монокристалле (см. табл. 5.1). При 21000С коэффициент граничной диффузии Тh в W примерно в 100 раз больше, чем объемной.
Граничная диффузия характеризуется меньшим и значениями энергии активации, чем объемная. Причиной такого различия является скопление дефектов на границах зерен. В тех случаях, когда коэффициент диффузии вдаль границ зерен намного превышает коэффициент объемной диффузии, диффузионный слой по мере удаления от источника диффузии делается все более неоднородным по химическому составу. Атомы диффундирующего элемента, перемещаясь вдоль границ зерен, быстро насыщают поверхностные слои кристаллов, далеко расположенных от источника диффузии. Внутрь глубоко расположенных кристаллов диффундирующий элемент проникает в гораздо меньшем количестве. Диффузия углерода в γ-Fe при обычных условиях цементации происходит с одинаковой скоростью по толщине объема и по границам зерен. Диффузия по границам зерен идет преимущественно при низких температурах и особенна тогда, когда энергия активации объемной диффузии велика. При образовании твердых растворов внедрения объемная диффузия протекает достаточно легко, и потому незаметно различие в интенсивности объемной и граничной диффузии.
Рис. 5.9. Зависимость ln D от 1/Т при диффузии цинка в
меди (цифры указывают средний размер зерна)
Во всех случаях, когда граничная диффузия происходит быстрее объемной, при экспериментальных исследованиях в качестве коэффициентов диффузии определяют промежуточные значения коэффициентов для объемного и граничного процессов. Чем сильнее развита поверхность границ между кристаллитами, т. е. Чем мельче зерна, чем более они дефектны, тем ближе эффективный коэффициент диффузии к коэффициенту граничной диффузии. Это видно из рис. 5.9, на котором приведены значения коэффициента диффузии цинка в медь при различных размерах зерна сплава: чем мельче зерно, тем выше измеряемый коэффициент диффузии. Особенно сильно размер зерна влияет на диффузию при низкой температуре.
Для самодиффузии Ag (см. табл. 5.1) коэффициенты граничной и объемной диффузии при температуре 480 и 9500С различаются соответственно в 106 и 103 раз. Если принять во внимание, что сечения кристаллитов при размерах около 10 мкм примерно в 104 раз больше сечения пограничных слоев, имеющих толщину около 107 см, то становится ясно, что при 9500С самодиффузия в серебре на 90% осуществляется путем перемещения по объемам зерен, а при 4800С идет почти исключительно по границам зерен.
В многочисленных исследованиях обнаружена подвижность атомов вдоль внешней поверхности металла (как поверхностная самодиффузия, так и поверхностная диффузия посторонних элементов). Этот процесс происходит еще быстрее, чем граничная диффузия. Так, например, поверхностная диффузия Th на вольфраме описывается уравнением
см2/с. (5.35)
см2/с.
(5.36)
т. е. энергия активации в этом случае в два раза меньше, чем при граничной самодиффузии Ag, и в 4,5 раза меньше, чем при объемной самодиффузии.
Рис. 5.10. Зависимость lnD от 1/Т для различных видов самодиффузии серебра:
1- поверхностная, D0=0,16cм2/с, Q=10,3 калл/моль; 2-граничная, D0=0,03 см2/с,
Q=20,2 калл/моль; 3-объемная, D0=0,9 см2/с, Q=46 калл/моль
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.