Что такое диффузия в металлах и сплавах

Диффузия в металлах и сплавах

Самостоятельная работа

по дисциплине “Материаловедение. Технология конструкционных материалов”

Явление диффузии и его влияние на стабильность структуры и свойства сплавов

Содержание

§ 1. Диффузия в металлах и сплавах……………………………………………………….2

§ 2. Химико-термическая обработка металлов и сплавов………………………………. 3

1. Общие закономерности

2. Диффузионное насыщение углеродом и азотом

3. Диффузионное насыщение сплавов металлами и неметаллами

§ 4. Материалы устойчивые к воздействию температур и рабочей среды ……………..6

1. Жаростойкие материалы

2. Жаропрочные материалы

Диффузия в металлах и сплавах

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

Самодифузия – переход атома металла из узла кристаллической решётки в соседний или в межузлие под действием теплового возбуждения.

Диффузия перенос разнородных атомов, который сопровождается изменением концентрации компонентов в отдельных зонах сплава.

Для описания процесса диффузии в твёрдом кристаллическом теле (металле) предложено несколько возможных механизмов диффузии: циклический, обменный, вакансионный и межузленный (рис. 1).

По циклическому механизму диффузионный перескок представляет собой совместной перемещение (циклическое вращение) группы атомов (например, четырёх, рис. 1, а). Такое вращение не требует большой энергии, но маловероятно. Обменный механизм (рис. 1, б) является частным случаем циклического (группа из двух атомов) и заключается в обмене соседних атомов. При вакансионном механизме атом обменивается с вакансией (рис. 1, в), а при межузленном он переходит в состояние равновесия в ближайшее междоузлие (рис. 1, г). В металлах диффузия преимущественно осуществляется по вакансионному механизму. В этом случае, как из рис. 1, в, на место вакансии 1 может переместиться атом 2, обладающей повышенной энергией. Вакансия окажется на бывшем месте этого атома, и её может занять атом 3, и т. д.

При диффузии в металле элементов с малым атомным радиусом (C, N, H) происходит диффузия по межузленному механизму (рис. 1, г).

Классическими законами диффузии считаются законы Фика, которые справедливы для слабых растворов или систем с малым перепадом диффундирующего вещества – градиентом консентрации .

При постоянной температуре количество диффундирующего вещества в единицу времени через единицу поверхности пропорционально градиенту концентрации и коэффициенту диффузии (см 2 /с). Знак минус указывает, что диффузия протекает в обратном направлении, обратному вектору градиента концентрации, т. е. от зоны с большей концентрации к зоне с меньшей концентрации диффундирующего элемента.

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

.

Коэффициент диффузии (см 2 /с) определяет скорость диффузии при перепаде концентрации, равном единице, заисит от состава сплава, размеров зёрен 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 решётки; — энергия активации процесса диффузии;

— газовая постоянная.

Источник

Что такое диффузия в металлах и сплавах

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

Диффузионные процессы в металле.

Диффузия – перемещение атомов в кристаллическом теле на расстояния, превышающие средние межатомные данного вещества.

Диффузия, сопровождающаяся изменением концентрации, происходит в сплавах или в металлах с повышенным содержанием примесей и называется диффузией или гетеродиффузией.

Перемещения атомов, не связанных с изменением концентрации в различных объемах, называется самодиффузией.

В основе процесса диффузии в кристаллах лежит атомный механизм, при котором каждый атом совершает ряд перемещений между различными равновесными положениями в кристаллической решетке. Для описания процесса диффузии в твердом кристаллическом теле предложено несколько возможных механизмов:

При циклической диффузии (рис. 1.7, а) совместно перемещаются группы атомов (атомы 1-4). Такая диффузия не требует больших затрат энергии, но маловероятна.

При обменном механизме диффузия (рис. 1.7, б) атомы меняются местами (атомы 1-2).

В металлах и сплавах диффузия преимущественно осуществляется по вакансионному механизму (рис. 1.7, в), при этом происходит замещение вакансий и их перемещений вглубь металла.

При диффузии в металле элементов с малым атомным радиусом (углерод, азот, водород, кислород) происходит диффузии по межузельному механизму (рис. 1.7, г).

Рис. 1.7. Перемещение атомов в кристаллической решетке металлов:

1, 2, 3, 4 – перемещающиеся атомы.

Наиболее легко диффузия протекает по поверхности и границам зерен, где сосредоточены дефекты кристаллического строения (вакансии, дислокации).

Скорость диффузии – количество вещества, продиффундировавшего через единицу площади поверхности раздела за единицу времени.

Количество диффундирующего вещества в единицу времени «m», зависит от градиента концентраций «dc/dx» элемента в направлении, нормальном к поверхности раздела и пропорционально коэффициенту диффузии «D» м2/сек:

где dc – концентрация;

dx – расстояние в выбранном направлении.

Знак «минус» указывает, что диффузия (самодиффузия) протекает в направлении от объемов с большей концентрацией к объемам с меньшей концентрацией.

Коэффициент диффузии D– количество вещества, продиффундировавшего через единицу времени при перепаде концентраций, равной единице.

Он зависит то природы сплава, размеров зерна и особенно сильно от температуры.

Температурная зависимость коэффициента диффузии описывается экспоненциальным уравнением:

где Do –множитель, величина которого определяется типом кристаллической решетки;

R – газовая постоянная;

Q – энергия активации диффузии. Энергия активации диффузии характеризует энергию связи атомов в кристаллической решетке и очень сильно влияет на коэффициент диффузии.

Диффузия лежит в основе большинства фундаментальных процессов, протекающих в металлах и сплавах, таких как кристаллизация, фазовые превращения, рекристаллизация, деформация, химико-термическая обработка и других.

Лекция 2. Формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации –2 часа

Первичная кристаллизация, степень переохлаждения. Механизм и закономерности кристаллизации металлов. Самопроизвольное (спонтанное) и гетерогенное образование центров кристаллизации. Модифицирование. Влияние размера зерна на свойства металла. Строение металлического слитка. Ликвация дендритная и зональная.

Построение диаграммы состояния двойных сплавов методом термического анализа

Любое вещество может находиться в четырех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном. Переход из одного состояния в другое возможен при условии, если новое состояние является более устойчивым, т.е. обладает наименьшим запасом свободной энергии.

Свободная энергия изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического состояний. Характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с изменением температуры показан на рис. 2.1.

Рис.2.1. Изменение свободной энергии в зависимости от температуры

В соответствии с этой схемой выше температуры Т_S вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже Т_S – в твердом.

При температуре равной Т_S жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго.

Температура Т_S – равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры Т_S.

Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения( ):

Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязненности (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения).

Рассмотрим переход металла из жидкого состояния в твердое.

При нагреве всех кристаллических тел наблюдается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое. Такая же граница существует при переходе из жидкого состояния в твердое.

Первичная кристаллизация– это процесс перехода сплава из жидкого состояния в твердое.

Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с минимумом свободной энергии.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время – температура. Кривая охлаждения чистого металла представлена на рис. 2.2

Рис.2.2. Кривая охлаждения чистого металла

– теоретическая температура кристаллизации;

_. – фактическая температура кристаллизации.

Процесс кристаллизации чистого металла:

До точки 1 охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На участке 1 – 2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.

Источник

6. Диффузия в металлах

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.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Источник

Диффузия и структура сплавов

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.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Источник