Физика \ Физика металлов

Водород в железе и других металлах, страница 4

1.3  Диффузия

Водород может диффундировать через никель, медь, железо, платину, палладий и многие другие металлы. Инертные газы, как показали многократные наблюдения, не диффундируют ни в одном металле. Это могут делать только те газы, для которых возможна активированная адсорбция, которая является необходимой предварительной стадией диффузии водорода в металлах. Если адсорбция является чисто физической, когда адсорбированные на поверхности газовые молекулы связаны с поверхностью чисто физическими ван-дер-ваальсовыми силами, диффузия в металле протекать не может. Причина этого — в атомарном строении металлического кристалла.

Скорость диффузии водорода в большинстве металлов представляет собой вполне измеримую, а для некоторых систем, например водород — палладий, водород — никель и др., весьма значительную величину. Во всех случаях диффузия водорода в металлах протекает значительно интенсивнее, чем диффузия других газообразных элементов. В таблице 2 приведены значения коэффициентов диффузии водорода, углерода и азота в железе.

Такой же порядок величины имеют коэффициенты диффузии Ni, Мn, Мо и других металлов. При повышении температуры скорость диффузии водорода в металлах быстро увеличивается в соответствии с экспоненциальным законом.

Таблица 2. Коэффициенты диффузии водорода, азота и углерода в железе при различных температурах.

Температура, °С

Коэффициент диффузии D, см2/сек

водорода

азота

углерода

20

1,5 · 10-5

8,8 · 10-17

2,0 · 10-17

100

4,4 · 10-5

8,3 · 10-14

3,3 · 10-14

300

1,7 · 10-4

5,3 · 10-10

4,3 · 10-10

500

3,3 · 10-4

3,6 · 10-8

4,1 · 10-8

700

4,9 · 10-4

4,4 · 10-7

6,1 · 10-7

900

6,3 · 10-4

2,3 · 10-6

3,6 · 10-6

950 (α)

6,7 · 10-4

3,1 · 10-6

5,1 · 10-6

950 (γ)

1,8 · 10-4

6,5 · 10-8

1,3 · 10-7

 при 950 °С

4

50

40

Зависимость скорости диффузии водорода от давления в изотермических условиях изучали Винкельман, Ричардсон, Смиттелс, а также Борелиус и Линдблом. По данным Ричардсона, уравнение типа при давлениях порядка атмосферного и выше достаточно хорошо согласуется с результатами опытов. При низких температурах и давлениях скорость диффузии газов падает, по данным Смиттелса и Ренслея, быстрее пропорциональной зависимости от . В качестве примера на рис. 4, 5 и 6 приведена зависимость скорости диффузии от давления для систем водород - палладий и водород - железо (при высоких и низких температурах). Брайн и Додж изучили скорость проникновения водорода через железо высокой чистоты в интервале температур 120 - 700° С и давлений от 0,0304 до 304 бар (0,03 до 300 атм) и подтвердили наличие линейной зависимости проницаемости от .

    Рис. 4. Зависимость скорости диффузии

 водорода через палладий от давления

Рис. 5.  Зависимость скорости диффузии  водорода через железо от давления (при низких температурах)

Рис. 6.  Зависимость скорости диффузии  водорода через железо от давления (при  повышенных температурах)

Типичные изотермы и изобары диффузии водорода в металлах даны на рис. 7 и 8. При образовании на поверхности металла химического соединения с газом скорость диффузии становится независимой от давления газа.

Для количественной характеристики процессов диффузии водорода в металлах обычно пользуются экспоненциальной формой выражения коэффициента диффузии: ; однако численные значения предэкспоненциального множителя D0  (см2/сек) и энергии активации ЕD варьируются в зависимости от методов исследования. Наиболее точны методы, в которых критерием для оценки процесса диффузии служит проницаемость металла для водорода, т.е. скорость его проникновения через металлическую стенку.

Скачать файл