§ 252. Диффузия в твердых телах

Диффузия чужеродных атомов в твердое тело уже давно известна техникам. Поверхностный слой стали можно насытить углеродом (цементация), азотом, бором. Диффузия происходит на большую глубину и проследить ее не представляет особого труда. При температуре 200-300 °С серебро в заметных количествах проникает в свинец на глубину в несколько сантиметров за один час.

Однако в кристалле могут перемещаться не только чужеродные атомы. Атом железа может перемещаться по кристаллу железа, медь перемещается в меди. Если к обычной меди прижать кусок радиоактивной меди, то через короткий срок обнаружится, что обычная медь «заразилась» радиоактивностью. Метод меченых атомов позволяет изучать диффузию «своих» атомов с таким же успехом, как и диффузию «чужих».

Диффузия возможна благодаря тепловым колебаниям. В момент, когда один атом отошел от своего положения равновесия, сосед проходит на его место. Возвращающийся обратно атом занимает освободившееся место. Так атомы обмениваются местами. Конечно, такой обмен произвести нелегко, если в нем примут участие лишь два атома. В диффузии атомов в твердом теле — в обмене двух атомов местами — принимает участие целая группа атомов. Атом проскальзывает вперед лишь тогда, когда тепловые колебания многих атомов случайно создадут для этого благоприятную обстановку.

Несомненно, очень большую роль в явлении диффузии играют всякого рода дислокации, пустоты и трещины, всегда имеющиеся в кристалле. Наличие пустого места поможет атому шаг за шагом двигаться по решетке «отодвигая» в пустоту атом, мешающий продвижению.

Если чужеродный атом имеет небольшой размер, то он может перемещаться по решетке и без обмена местом. Дождавшись благоприятных условий, такой атом может проскользнуть из одной пустоты плотной шаровой упаковки в соседнюю.

Диффузия является встречным эффектом. Если мы прижали цинковую пластинку к медной, то атомы цинка будут проникать в

медь, а атомы меди — в цинк. Правда, скорость этих встречных потоков может сильно различаться.

Диффузия атомов через кристалл зависит от очень многих причин. Интересен следующий факт: быстрее всего идет процесс диффузии, когда «чужой» атом во всех отношениях не похож на атомы кристалла, по которому он движется. Наиболее медленно идет диффузия атомов в «своем» кристалле, а также в кристалле, который состоит из атомов того же столбца периодической системы Менделеева.

Как мы уже говорили, наличие трещин и искажений облегчает диффузию. Поэтому вполне понятно, что в деформированном металле диффузия проходит более быстро.

Скорость диффузии исключительно резко зависит от температуры. Это и понятно, так как коэффициент диффузии (напоминаем, что это коэффициент пропорциональности между потоком вещества и градиентом концентрации) всегда может быть представлен выражением типа

где высота потенциального барьера, который приходится преодолевать атому в элементарном диффузионном акте. Необходимость такого соотношения довольно очевидна, поскольку коэффициент диффузии должен быть пропорционален числу атомов, энергия которых достаточна для того, чтобы перешагнуть через потенциальный барьер.

Высоты этих барьеров достаточно велики. Для случая самодиффузии они лежат обычно около Напомним, что при комнатной температуре равно Число атомов с энергиями, столь превышающими среднюю, будет ничтожно; диффузия практически отсутствует. Иная картина будет при температуре порядка

В предыдущем параграфе мы обсуждали превращения кристалл — кристалл, происходящие организованно, без явления диффузии. Не следует, конечно, думать, что все фазовые переходы совершаются таким способом. Напротив, при достаточно высокой температуре явления обмена местами начнут играть весьма важную роль и организованный характер переходов будет осуществляться на малых участках, а может быть и вовсе будет затемнен явлениями обмена атомов местами.

Если превращение в твердом состоянии носит диффузионный характер, то оно идет со скоростью того же порядка, что и процессы самодиффузии. Высоты потенциальных барьеров, преодолеваемые атомами при перестройке, того же порядка, что и при явлениях самодиффузии.

Что же касается организованных перемещений атомов типа мартенситного превращения, то здесь при малых температурах превращение имеет десятикратный перевес в скорости по сравнению с процессами диффузионного характера.