Диффузия в металлах и сплавах. Атомные механизмы диффузии

воздействиях (температуры, давления, химически агрессивной среды и т.д.), так   как   процессы   диффузии   определяют   кинетику выделения фаз, окисления, ползучести и т.д. Диффузионные процессы лежат в основе кристаллизации и рекристаллизации, фазовых превращений и насыщения поверхности сплавов другими элементами.

Имеется два подхода к проблеме изучения диффузии:

1.  Феноменологический   в   котором   металл   рассматривают как континуум, т.е. пренебрегают атомной структурой металла. Здесь быть рассмотрена большая часть структурных изменений, происходящих в  результате   диффузионных   процессов.   Кинетику   изменений описывают системой дифференциальных  уравнений,  при  составлении  которых используют предположения, сделанные в 1855 г. Фиком.

2.  Микроскопический (атомный), в котором учитывают атомное строение и  атомные процессы, связанные с диффузией.

Основные законы диффузии. Феноменологический подход основан на законах диффузии. Классическими законами диффузии считаются законы Фика, которые справедливы для слабых растворов или систем с малым перепадом диффундирующею вещества градиентом концентрации dС/dx.

Первый закон Фика: При постоянной температуре количество диффундирующего вещества dmв единицу времени через единицу поверхности dS пропорционально градиенту концентрации dC/dx и коэффициенту диффузии D(см²/с).

dm = – D (dC/dx) dSdτ

Тогда плотность потока ( в г или ат/(м²с)):               j=dm/(dSdτ)

Для одномерной диффузии в направлении оси х первое уравнение Фика имеет вид:              (Формулировка закона – Если градиент концентрации одного из компонентов направлен по оси х, то поток  Jэтого компонента направлен в сторону уменьшения градиента концентрации и равен:)

Знак минус указывает, что диффузия протекает в направлении, обратном вектору градиента концентрации, т. е. от зоны с большей концентрацией к зоне с меньшей концентрацией диффундирующего элемента. Отношениеназывают коэффициентом диффузии.

Когда градиент концентрации изменяется во времени, а коэффициент диффузии принимается независящим от концентрации, процесс диффузии описывается вторым законом Фика, который выводится из первого закона:

Коэффициент диффузии D (см²/с) определяет скорость диффузии при перепаде концентрации, равном единице, зависит от состава сплава, размеров зерен и температуры и взаимодействия атомов растворимого вещ-ва с атомами растворителя.

Для определенного диапазона температур  Аррениус установил экспоненциальную зависимость коэффициента диффузии oт температуры: где D₀-предэкспоненциальный множитель (10^-6-10^-4 м²с), зависящий от сил связи между атомами кристаллической решетки; Q-энергия активации процесса диффузии (Q=150Тпл); R-газовая постоянная, Т-абсолютная температура.

Атомный подход. Первое уравнение А. Фика позволяет определить суммарный поток jатомов через единицу поверхности в единицу времени между двумя соседними плоскостями кристаллической решетки, расположенными на расстоянии ∆.

 где

Знак минус означает, что суммарный поток  jи градиент концентрации вещества dС/dx направлены противоположно, т.е.   диффузия идет в сторону меньших концентраций.

Атомные механизмы диффузии.

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. Для описания процессов диффузии или предложено несколько механизмов (обменный, циклический, межузельный, вакансионный и др.). Однако реализуется тот механизм диффузии или самодиффузии, при котором окажется наименьшей величина энергетического барьера (энергия активации Q), преодолеваемого перемещающимися атомами