§ 4. Диффузия в металлах

Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки металла, непрерывно колеблются около положения равновесия. Некоторые из них приобретают столь большую энергию, что уходят со своего места в пространство между узлами решетки, меняются положениями со своими соседями, занимают находящиеся рядом вакансии, присоединяются к краю атомной плоскости в районе краевой дислокации. Результатом всех этих процессов является непрерывное перемещение всех атомов в кристаллической решетке, которое носит общее название - диффузия. В том случае, когда речь идет о взаимном перемещении атомов одного вида (в чистом металле) явление называется самодиффузией. Если же рассматривается поведение атомов одного элемента в другом, то применяют термин гетеродиффузия, или просто диффузия.

Процесс диффузии, как известно из физики, описывается двумя законами Фика. Первый закон Фика показывает зависимость потока вещества 1 от имеющегося градиента (перепада) концентрации этого вещества в однородной среде dc/dx

Коэффициент пропорциональности D называется коэффициентом диффузии. Знак минус указывает, что поток вещества направлен в сторону меньших концентраций. Поток вещества измеряется массой, прошедшей в единицу времени через единицу площади. Концентрация выражается массой в единице объема. В системе СИ размерность потока I будет кг/(м² ·с), размерность концентрации - кг/м³, размерность градиента концентрации - кг/м⁴. Отсюда размерность коэффициента дуффузии получается м²/с.

Второй закон Фика показывает изменение концентрации диффундирующего вещества в отдельных слоях, перепендикулярных направлению диффузии, в зависимости от времени.

По законам Фика движущая сила диффузии заключается в градиенте концентраций, т. е. интенсивность диффузии должна быть тем большей, чем больше перепад концентраций на единице длины. При этом процесс диффузии идет таким образом, что перепады концентраций уменьшаются. Диффузия в этом случае называется выравнивающей.

Однако в металлах и особенно в сплавах часто наблюдается восходящая диффузия, в результате которой концентрация примесей в металле на некоторых участках кристаллов (на границах, около линии дислокаций) возрастает, а в сплавах составляющие их металлы скапливаются в разных фазах (см. гл. 2). Первопричина явления восходящей диффузии заключается в неоднородности среды (наличие разных фаз в сплаве, наличие структурных несовершенств в пределах каждой фазы и т. д.).

Для случая выравнивающей диффузии, когда в начальный момент приводятся в соприкосновение два разных металла, решение уравнений, описывающих законы Фика, дает следующее приблизительное, но достаточно точное выражение глубины проникновения х одного металла в другой: х = √2Dτ, где τ - время диффузии. Зависимость справедлива для процесса при постоянной температуре и при независимости коэффициента диффузии от концентрации.

Интенсивность диффузии очень сильно увеличивается с повышением температуры. При увеличении температуры, начиная от комнатной, на каждые 10 - 15° коэффициент диффузии возрастает примерно вдвое. Средние значения коэффициента самодиффузии металлов составляют 1·10^-17 м²/с при температуре на 200 - 500° ниже точки плавления. Приблизительно такие же значения характерны для элементов, атомы которых замещают атомы основного металла в узлах кристаллической решетки. Вблизи точки плавления коэффициент диффузии в этих случаях достигает величины порядка 1·10^-12 м²/с. Для элементов, атомы которых размещаются в междуузлиях решетки, характерны значительно большие коэффициенты диффузии - примерно в 103 - 104 раз. Названные выше величины для твердых металлов соответствуют диффузии внутри зерен. Диффузионное перемещение атомов по границам зерен происходит в 100 - 1000 раз интенсивнее.

Топливная система для китайских вилочных погрузчиков посмотреть.