Диффузия в металлах и сплавах

Самостоятельная работа

по дисциплине “Материаловедение. Технология конструкционных материалов”

Явление диффузии и его влияние на стабильность структуры и свойства сплавов

Специальность:

«Промышленная теплоэнергетика»

Выполнил:

Степанов А.В.

студент гр. ЭЭ-31-10,

Проверил:

лектор, доцент

Степанов Ю.Н.

Чебоксары 2011

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

§ 3. Легированные стали…………………………………………………………………….5

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

1. Жаростойкие материалы

2. Жаропрочные материалы

§ 5. Вывод………………………………………………………………………………..…12

§ 6. Литература……………………………………………………………………………..13

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 .

Первый закон Фика:

При постоянной температуре количество диффундирующего вещества в единицу времени через единицу поверхности пропорционально градиенту концентрации и коэффициенту диффузии (см²/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.

Второй закон Фика:

.

Коэффициент диффузии (см²/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.