1.5. Диффузия в металлах и сплавах

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

Самодиффузия - переход атома металла из узла кристаллической решетки в соседний или в межузлие под действием теплового возбуждения.

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

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.

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

Первый закон Фика:

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.