Что такое диффузия материаловедение

6. Диффузия в металлах

Диффузия – это перенос вещества, обусловленный беспорядочным тепловым движением диффундирующих частиц. При диффузии газа его молекулы меняют направление движения при столкновении с другими молекулами Основными типами движения при диффузии в твердых телах являются случайные периодические скачки атомов из узла кристаллической решетки в соседний узел или вакансию.

Развитие процесса диффузии приводит к образованию диффузионного слоя, под которым понимают слой материала детали у поверхности насыщения, отличающийся от исходного по химическому составу, структуре и свойствам.

Диффузионное движение любого атома – это случайное блуждание из-за большой амплитуды колебаний, которое не зависит ни от движения других атомов, ни от предыдущего движения данного атома. Не зависящие от температуры колебания атомов вокруг положения равновесия обычно происходят с частотой

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. Наиболее затруднительным является простой обменный механизм диффузии, а наиболее вероятным – вакансионный. Каждому механизму диффузии соответствует определенная энергия активации Q, т. е. величина энергетического барьера, который необходимо преодолеть атому при переходе из одного положения в другое.

Перемещение при краудионном механизме диффузии подобно распространению волны: каждый атом смещается на малую величину, а возмущение распространяется быстро. Для диффузии большое значение имеют вакансии и их ассоциации (бивакансии, комплексы вакансия – атом примеси), а также дефекты, являющиеся их источниками (линейные и поверхностные).

Основным механизмом самодиффузии и диффузии в твердых растворах замещения является вакансионный. В твердых растворах внедрения основным механизмом перемещения примесных атомов небольшого размера является межузельный.

Диффузионная металлизация – процесс диффузионного насыщения поверхности изделий металлами или металлоидами. Диффузионное насыщение проводят в порошкообразной смеси, газовой среде или расплавленном металле (если металл имеет низкую температуру плавления).

Борирование – диффузионное насыщение поверхности металлов и сплавов бором для повышения твердости, коррозионной стойкости, износостойкости проводят путем электролиза в расплавленной соли бора. Борирование обеспечивает особенно высокую твердость поверхности, сопротивление износу, повышает коррозионную стойкость и теплостойкость. Борированные стали обладают высокой коррозионной стойкостью в водных растворах соляной, серной и фосфорной кислот. Борирование применяют для чугунных и стальных деталей, работающих в условиях трения в агрессивной среде (в химическом машиностроении).

Хромирование – диффузионное насыщение хромом проводят в порошкообразных смесях хрома или феррохрома с добавками хромистого аммония (1 %) и окиси алюминия (49 %) при температуре 1000…1050 °C с выдержкой 6…12 ч. Хромирование применяют для деталей, которые работают на износ в пароводяных и агрессивных средах (арматура, вентили). При хромировании изделий из малоуглеродистых сталей твердость повышается и приобретается хорошая коррозионная стойкость.

Алитирование – это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя алюминием, проводят в порошкообразных смесях алюминия или в расплавленном алюминии. Цель – получение высокой жаростойкости поверхности стальных деталей. Алитирование проводят в твердых и жидких средах.

Силицирование – диффузионное насыщение кремнием проводят в газовой атмосфере. Насыщенный кремнием слой стальной детали имеет не очень высокую твердость, но высокую коррозионную стойкость и повышенную износостойкость в морской воде, азотной, соляной в серной кислотах. Силицированные детали применяют в химической, целлюлозно-бумажной и нефтяной промышленности. Для повышения жаростойкости силицирование применяют для изделий из сплавов на основе молибдена и вольфрама, обладающих высокой жаропрочностью.

В материаловедении разрабатываются макро– и микроскопические теории диффузии. В макроскопической теории делается акцент на формализме, т. е. на термодинамических силах и параметрах. В микроскопической теории используют механизмы, основанные на теории об атомных скачках.

Источник

6. Диффузия в металлах

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Источник

Диффузия в металлах

Развитие диффузионного процесса приводит к образованию диффузионного слоя, под которым понимается слой частичного материала на насыщенной поверхности, отличающийся от исходного по химическому составу, структуре и свойствам. Диффузионное движение любого атома является случайным блужданием из-за большой амплитуды вибрации, которая не зависит ни от движения других атомов, ни от предыдущего движения этого атома. Температурно-независимая вибрация атомов вокруг положения равновесия обычно происходит

с частотой 10 секунд-задача определения диффузионного механизма достаточно сложна. Людмила Фирмаль

Важную роль в решении этой задачи играет тот факт, что в процессе диффузионного движения атомов проявляется огромное влияние дефектов решетки, особенно вакансий J. I. наиболее сложным, разыгрываемым исследованием Френкеля, является простой обменно-диффузионный механизм, причем наиболее вероятным является вакансия. Каждый диффузионный механизм обладает определенной энергией активации Q, то есть энергетическим барьером, который должен быть преодолен атомом при переходе из одного положения в другое.

Смещение в механизме диффузии Краудиона подобно распространению волны, где каждый атом смещен в небольших количествах, и возмущение распространяется быстро. Для диффузии большое значение имеют вакансии и их ассоциации (двухосновные, вакансионно-атомно-примесные комплексы), а также дефекты их происхождения (линейные и поверхностные). Основным механизмом самодиффузии и диффузии в твердых-замещенных решений вакансии. В твердых растворах основным механизмом миграции примесных атомов малого размера являются интерстициальные атомы.

Тангенциально обеспечивают высокую поверхностную твердость, износостойкость, повышают коррозионную стойкость и термостойкость. Борнокислотная сталь обладает высокой коррозионной стойкостью в водных растворах соляной, серной и фосфорной кислот. Тангенциально применяется для чугунных и стальных деталей, работающих при трении в агрессивных средах (в химической промышленности). Хромирование-диффузионное насыщение хрома может быть достигнуто смешиванием аммонийного хрома (1%) и оксида алюминия (49%) при 1000 ° С в порошковых смесях хрома или феррохрома.. Выдержка при температуре 1050°C 6…12ч. хромирование применяется

для деталей, работающих на пару и изнашиваемых в агрессивных средах (вентили, клапаны). Людмила Фирмаль

Если хромировать изделия из низкоуглеродистой стали, то твердость возрастет и приобретет хорошую коррозионную стойкость. Выравнивание-это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя алюминием, который осуществляется в порошковых смесях алюминия или расплавленного алюминия. Его назначение-получение высокой термостойкости поверхности стальных деталей. Алиитизация проводится в твердых и жидких средах. Силицирование и диффузионное насыщение кремния проводили в газовой атмосфере. Кремни-насыщенный слой стальных частей имеет очень высокую твердость, высокую коррозионную устойчивость и увеличенную износостойкость морской воды, азота, хлористого водорода и серной кислоты.

Силицированные детали используются в химической, целлюлозно-бумажной и нефтяной промышленности. Для повышения термостойкости силицирование применяют в изделиях из сплавов на основе молибдена и вольфрама, обладающих высокой термостойкостью. В материаловедении развита теория диффузии макро-и микроэлементов. В макроскопической теории акцент делается на формализме, то есть на термодинамических силах и параметрах. Микроскопическая теория использует механизм, основанный на теории атомных скачков.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

Источник

Диффузия и структура сплавов

Диффузия в сплавах представляет собой перенос гетерогенных атомов, что влечет за собой изменение концентрации компонентов в отдельных зонах. Самодиффузия-это движение атомов того же типа, что и чистый металл или основной компонент. Диффузия атомов углерода с малым атомным радиусом, например, в решетке железа, осуществляется по интерстициальному проходу(рис. Этот процесс очень легко осуществить из-за того, что число атомов, встроенных в решетку, мало по сравнению с числом междоузлий.

Для атомов металла это наиболее вероятный вакансионный механизм диффузии (рис. 4.10) если поблизости есть пустое пространство, замещающий атом легко меняет свое положение. Людмила Фирмаль

Однако в обычных узлах решетки число вакансий меньше числа атомов, что затрудняет диффузию замещенных атомов. По механизму диффузии вакансий он более выгоден в узле искаженной решетки. При диффузии через оба механизма движущиеся атомы должны протискиваться между атомами основного металла, разрывать связи и преодолевать потенциальные барьеры для деформации решетки, для этого атомы должны иметь постоянный уровень энергии активации. Рис 4.9. Переход от этого междоузлия (а) к соседнему Междоузлию © атома, внедренного через неустойчивое промежуточное положение (в)) 157 страниц.

Процесс диффузии отличается различными элементами. Из рисунка. 4.11 коэффициент диффузии меди (Sn, Si, Be, Al, Zn) сильно отличается. Рис 4.11. Зависимость коэффициента диффузии от концентрации различных элементов, диффундирующих в среде. 4.12 схема торможения движения трещин: а-путем ветвления и изменения направления; Б-окклюзия второй фазы секреции Относительно легкая диффузия углерода в железе и сложная диффузия хрома приводят к тому, что только граничные атомы хрома участвуют в образовании карбидов SGR на границах зерен. Границы зерен обеднены хромом, что приводит к межзеренной коррозии хромоникелевых аустенитных сталей. Стабильность структуры и свойств жаропрочных сплавов достигается за счет ингибирования диффузионного процесса.

Ингибирование диффузии, как и ингибирование дислокации, производится соответствующей неоднородностью структуры. Людмила Фирмаль

Ингибирование диффузионных процессов в литой структуре инструментальной стали происходит при формировании развитого дендритного каркаса с термически прочной дендритной фазой карбида. Неоднородность структуры может быть решающим фактором в распространении трещин. Для риса. 4.12-схематическое представление структурных условий, препятствующих возникновению трещин вследствие множественных ответвлений и изменения направления вследствие блокирования секреции второй фазы.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

Источник

Что такое диффузия материаловедение

Многие процессы, протекающие в металлах и сплавах, особенно при повышенных температурах, связаны с самодиффузией или диффузией.

Для описания процессов диффузии или самодиффузии 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), преодолеваемого перемещающимися атомами. Энергия активации зависит от сил межатомной связи и дефектов кристаллической решетки, которые облегчают диффузионные переходы (энергия активации по границам зерен вдвое меньше, чем в объеме зерна). Для металлических атомов более вероятным является вакансионный механизм, а для элементов с малым атомным радиусом — межузельный.

При постоянной температуре количество диффундирующего вещества в единицу времени через единицу поверхности пропорционально градиенту концентрации и коэффициенту диффузии 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.

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 определяет скорость диффузии при перепаде концентрации, равном единице, зависит от состава сплава, размеров зерен и температуры процесса.

Для определенного диапазона температур С Аррениус установил экспоненциальную зависимость коэффициента диффузии от температуры:

где — предэкспоненциальный множитель, зависящий от сил связи между атомами кристаллической решетки; б-энергия активации процесса диффузии; газовая постоянная.

В дальнейшем для описания диффузионных процессов в сложных сплавах ученые уточняли законы Фика, вводили понятия градиента химического потенциала или градиента термодинамической активности вместо градиента концентрации.

Диффузионные процессы лежат в основе кристаллизации и рекристаллизации, фазовых превращений и насыщения поверхности сплавов другими элементами. Более подробно об этом сообщается в последующих главах.

Источник