Водород в железе и других металлах, страница 5

По Смиттелсу, при установившемся процессе скорость проникновения водорода через металлическую стенку приближенно может быть выражена уравнением:

, где D – количество газа, диффундирующего в 1 сек через 1 см² поверхности металла, см³; d – толщина слоя металла (пластины), мм; E₀ – теплота диффузии, Дж/моль (кал/моль); Р – давление, мм рт. ст.; к – постоянная Больцмана; К – константа, зависящая от природы металла.

В табл. 3 приведены значения D₀ и Е₀ для диффузии водорода в некоторых металлах.

Таблица 3. Значения D₀и Е_D некоторых металлов для диффузии водорода

При рассмотрении механизма диффузионных процессов весьма важны два вопроса:

1)  в каком состоянии находится водород в процессе диффузии сквозь металлы;

2)  каким путем протекает диффузия - по границам зерен, другими путями или одновременно несколькими

Первый из этих вопросов решен в настоящее время однозначно: водород диффундирует сквозь металлы в атомном, а не в молекулярном состоянии. Более того, в настоящее время общепризнано, что водород диффундирует в металлах в ионизированном состоянии в форме протона. Экспериментальные доказательства протонного состояния водорода в процессе его диффузии имеются для железа, никеля, палладия и ряда других систем.

Выяснению второго вопроса — о возможных путях диффузии водорода в металле — посвящен ряд специальных исследований.

Согласно проведенным экспериментам, в системах водород - железо и водород - никель газ диффундирует транскристаллически по всей решетке и границы зерна не имеют определяющего значения, т. е. величина диффузии для монокристаллов и поликристаллов данного металла имеет одни значения (или слабо различающиеся). По-видимому, транскристаллическая диффузия характерна для систем водород — металл.

Легкость осуществления процесса диффузии водорода в металлах обычно принято объяснять соотношением размеров водородного атома и параметров кристаллической решетки металла. Однако, для объяснения диффузии водорода в металлах, геометрических соображений оказывается недостаточно.

По-видимому, основным фактором, влияющим на диффузию водорода в металлах, является не геометрия кристалла, а энергетика атома, т. е. различия в интенсивности, напряженности и направленности электрических полей, создаваемых атомами метала — каждым в отдельности и всеми вместе. Если энергетическое состояние атомов металла таково, что протон не может быть удержан их электрическим полем, то водород перемещается в решетке (диффундирует) от одного атома к другому под действием их тепловых колебаний. Повышение температуры системы свидетельствует об интенсификации тепловых колебаний и, следовательно, приводит к ускорению процесса перемещения протонов — к ускорению диффузии. Изменение типа решетки металла, происходящее при аллотропических превращениях, неминуемо связано с изменением характера и распределения электрических полей и поэтому должно приводить к изменению скорости диффузии водорода. Если превращение связано с увеличением растворимости водорода, т. е. с увеличением количества протонов водорода, которые могут быть удержаны электрическим полем атомов металла в данных условиях, то одновременно должно происходить замедление процесса диффузии водорода. Типичными примерами, подтверждающими изложенную точку зрения, служат системы водород — железо, водород — титан и некоторые другие, в которых при аллотропических превращениях происходит скачкообразное изменение растворимости и, следовательно, скорости диффузии. Все внешние факторы, которые могут изменить энергетическое состояние атомов решетки металла, должны оказывать влияние на диффузию водорода, вызывая направленное перемещение водорода в виде протонов. К этим факторам относятся: