§ 36. ДИФФУЗИЯ В МЕТАЛЛАХ

Диффузией называется процесс самопроизвольного распространения вещества в какой-либо газообразной, жидкой или твердой среде. Явления такого типа, связанные с переносом масс, обусловливаются, главным образом, тепловым движением молекул и атомов.

В газообразном и жидком веществах перемена мест атомов и молекул происходит сравнительно легко, вследствие того что связи между этими частицами ослаблены или полностью нарушены. В твердых кристаллических телах положения атомов фиксированы в узлах кристаллической решетки, однако и в этом случае блуждание отдельных атомов вещества (миграция) вполне возможно, хотя и происходит менее интенсивно, чем в жидкости или газе. Например, отдельные атомы, случайно 1-й путь 2-й путь 3-й путь получившие дополнительный за-

о о • о о о о • о о о о • о о пас ЭНерГИИ, МОГУТ ВЫрЫВЭТЬСЯ

• о о • о «о о • о • о о • о из своих нормальных положе-о ^у • о о --Бе о о о ни« и блуждать в пространстве

оо»оооо«оооо*оо■1

.оо.о .оо.о .оо.о межДУ узлами кристаллической

решетки. Такие атомы называ-Рис. 94. Возможные пути обмена ато- ются дислоцированными. В том мов местами в процессе диффузии узле охкуда ушел дислоцированный атом, образуется вакансия, которая может быть занята соседним или каким-либо другим блуждающим атомом. Вследствие этого возникает процесс перераспределения атомов и распространения вещества в твердом теле, т. е. появляется возможность диффузии.

Для развития процессов диффузии в металле нужно, чтобы диффундирующее вещество образовывало с ним твердый раствор. Атомы самого металла также перемещаются и меняются местами при тепловом движении. Этот процесс, в отличие от обычной диффузии, называется самодиффузией.

В твердом металле возможны три пути диффузии атомов в решетке растворителя (рис. 94):

1-й — за счет простого обмена местами соседних атомов;

2-й — вследствие проникновения атомов в пространство между узлами кристаллической решетки;

3-й — путем перемещения вакансий, в результате которого происходит и перемещение атомов.

Однако, как следует из энергетических соображений, вероятность этих путей весьма различна. Расчеты, произведенные для процесса самодиффузии меди, показали, что при первом пути диффузии нужно затратить 400 ккал/г-атом, а при втором и третьем — соответственно 230 и 64 ккал/г-атом. Отсюда следует, что процессы диффузии в основном будут идти по третьему пути, тогда как обмен соседних атомов местами маловероятен.

Чаще всего диффузия протекаег в направлении снижения кон-

ентрации вещества, но в некоторых условиях может идти и в сторону повышения ее. В первом случае диффузия носит название нисходящей, во втором — eocxodHuißu. Результатом нисходящей диффузии является равномерное распределение вещества по объему растворителя, тогда как восходящая диффузия приводит к разделению компонентов.

Основные законы диффузии в металлах.Диффузия подчиняется законам, известным под названием законов Фика.

Первый закон диффузии, или первый закон Фика, формулируется так:

dM = —D^dSdt,(V.73)

или количество вещества dM, продиффундировавшее за время dt через элемент поверхности dS, пропорционально градиенту концентра-dC

Коэффициент пропорциональности D, смЧсек, в выражении (V.73) называется коэффициентом диффузии. Он численно равен [количеству вещества в граммах (или молях), диффундирующего в единицу времени через единицу площади при градиенте концент-

рации, равном единице. I радиент выражается в этом случае

в г/см* (или моль/см*).

Знак «минус» в выражении (V.73) показывает, что происходит нисходящая диффузия, у которой направление градиента концентрации («плюс» — в направлении возрастания) не совпадает с направлением диффузии (процесс идет в направлении убывания концентрации).

Закон Фика справедлив для малых концентраций диффундирующего вещества, далеких от концентрации насыщения.

Процесс диффузии аналогичен распространению тепла посредством теплопроводности. Количество вещества соответствует количеству тепла, а концентрация — температуре. Поэтому в т о -рой закон диффузии может быть выведен аналогично уравнению теплопроводности (см. гл. IV):

£ = l(».t) + l(^) + IO,f).(V.74,

Уравнение (V.74) выражает второй закон Фика в самом общем виде в предположении, что коэффициент диффузии сильно зависит от концентрации элемента и различен (анизотропен) в различных направлениях. Если считать коэффициент диффузии не зависящим от концентрации, а тело изотропным, т. е. полагать, что Dx = = Dy =Dz = D, то выражение (V.74) существенно упростится: