Что такое диффузия в материаловедении

21.09.202323.09.2023 admin 0 Comments

6. Диффузия в металлах

Диффузия – это перенос вещества, обусловленный беспорядочным тепловым движением диффундирующих частиц. При диффузии газа его молекулы меняют направление движения при столкновении с другими молекулами Основными типами движения при диффузии в твердых телах являются случайные периодические скачки атомов из узла кристаллической решетки в соседний узел или вакансию.

Развитие процесса диффузии приводит к образованию диффузионного слоя, под которым понимают слой материала детали у поверхности насыщения, отличающийся от исходного по химическому составу, структуре и свойствам.

Диффузионное движение любого атома – это случайное блуждание из-за большой амплитуды колебаний, которое не зависит ни от движения других атомов, ни от предыдущего движения данного атома. Не зависящие от температуры колебания атомов вокруг положения равновесия обычно происходят с частотой

Вопрос определения механизма диффузии является весьма сложным. Большую роль в решении этой проблемы сыграли работы Я.И. Френкеля, в которых показано огромное влияние дефектов кристаллической решетки, в особенности вакансий, на процесс диффузионного перемещения атомов. Наиболее затруднительным является простой обменный механизм диффузии, а наиболее вероятным – вакансионный. Каждому механизму диффузии соответствует определенная энергия активации Q, т. е. величина энергетического барьера, который необходимо преодолеть атому при переходе из одного положения в другое.

Перемещение при краудионном механизме диффузии подобно распространению волны: каждый атом смещается на малую величину, а возмущение распространяется быстро. Для диффузии большое значение имеют вакансии и их ассоциации (бивакансии, комплексы вакансия – атом примеси), а также дефекты, являющиеся их источниками (линейные и поверхностные).

Основным механизмом самодиффузии и диффузии в твердых растворах замещения является вакансионный. В твердых растворах внедрения основным механизмом перемещения примесных атомов небольшого размера является межузельный.

Диффузионная металлизация – процесс диффузионного насыщения поверхности изделий металлами или металлоидами. Диффузионное насыщение проводят в порошкообразной смеси, газовой среде или расплавленном металле (если металл имеет низкую температуру плавления).

Борирование – диффузионное насыщение поверхности металлов и сплавов бором для повышения твердости, коррозионной стойкости, износостойкости проводят путем электролиза в расплавленной соли бора. Борирование обеспечивает особенно высокую твердость поверхности, сопротивление износу, повышает коррозионную стойкость и теплостойкость. Борированные стали обладают высокой коррозионной стойкостью в водных растворах соляной, серной и фосфорной кислот. Борирование применяют для чугунных и стальных деталей, работающих в условиях трения в агрессивной среде (в химическом машиностроении).

Хромирование – диффузионное насыщение хромом проводят в порошкообразных смесях хрома или феррохрома с добавками хромистого аммония (1 %) и окиси алюминия (49 %) при температуре 1000…1050 °C с выдержкой 6…12 ч. Хромирование применяют для деталей, которые работают на износ в пароводяных и агрессивных средах (арматура, вентили). При хромировании изделий из малоуглеродистых сталей твердость повышается и приобретается хорошая коррозионная стойкость.

Алитирование – это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя алюминием, проводят в порошкообразных смесях алюминия или в расплавленном алюминии. Цель – получение высокой жаростойкости поверхности стальных деталей. Алитирование проводят в твердых и жидких средах.

Силицирование – диффузионное насыщение кремнием проводят в газовой атмосфере. Насыщенный кремнием слой стальной детали имеет не очень высокую твердость, но высокую коррозионную стойкость и повышенную износостойкость в морской воде, азотной, соляной в серной кислотах. Силицированные детали применяют в химической, целлюлозно-бумажной и нефтяной промышленности. Для повышения жаростойкости силицирование применяют для изделий из сплавов на основе молибдена и вольфрама, обладающих высокой жаропрочностью.

В материаловедении разрабатываются макро– и микроскопические теории диффузии. В макроскопической теории делается акцент на формализме, т. е. на термодинамических силах и параметрах. В микроскопической теории используют механизмы, основанные на теории об атомных скачках.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Источник

Диффузия в металлах и сплавах

Самостоятельная работа

по дисциплине “Материаловедение. Технология конструкционных материалов”

Явление диффузии и его влияние на стабильность структуры и свойства сплавов

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

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

1. Жаростойкие материалы

2. Жаропрочные материалы

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 .

При постоянной температуре количество диффундирующего вещества в единицу времени через единицу поверхности пропорционально градиенту концентрации и коэффициенту диффузии (см 2 /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.

Коэффициент диффузии (см 2 /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.

Источник

Диффузия в металлах

Развитие диффузионного процесса приводит к образованию диффузионного слоя, под которым понимается слой частичного материала на насыщенной поверхности, отличающийся от исходного по химическому составу, структуре и свойствам. Диффузионное движение любого атома является случайным блужданием из-за большой амплитуды вибрации, которая не зависит ни от движения других атомов, ни от предыдущего движения этого атома. Температурно-независимая вибрация атомов вокруг положения равновесия обычно происходит

с частотой 10 секунд-задача определения диффузионного механизма достаточно сложна. Людмила Фирмаль

Важную роль в решении этой задачи играет тот факт, что в процессе диффузионного движения атомов проявляется огромное влияние дефектов решетки, особенно вакансий J. I. наиболее сложным, разыгрываемым исследованием Френкеля, является простой обменно-диффузионный механизм, причем наиболее вероятным является вакансия. Каждый диффузионный механизм обладает определенной энергией активации Q, то есть энергетическим барьером, который должен быть преодолен атомом при переходе из одного положения в другое.

Смещение в механизме диффузии Краудиона подобно распространению волны, где каждый атом смещен в небольших количествах, и возмущение распространяется быстро. Для диффузии большое значение имеют вакансии и их ассоциации (двухосновные, вакансионно-атомно-примесные комплексы), а также дефекты их происхождения (линейные и поверхностные). Основным механизмом самодиффузии и диффузии в твердых-замещенных решений вакансии. В твердых растворах основным механизмом миграции примесных атомов малого размера являются интерстициальные атомы.

Тангенциально обеспечивают высокую поверхностную твердость, износостойкость, повышают коррозионную стойкость и термостойкость. Борнокислотная сталь обладает высокой коррозионной стойкостью в водных растворах соляной, серной и фосфорной кислот. Тангенциально применяется для чугунных и стальных деталей, работающих при трении в агрессивных средах (в химической промышленности). Хромирование-диффузионное насыщение хрома может быть достигнуто смешиванием аммонийного хрома (1%) и оксида алюминия (49%) при 1000 ° С в порошковых смесях хрома или феррохрома.. Выдержка при температуре 1050°C 6…12ч. хромирование применяется

для деталей, работающих на пару и изнашиваемых в агрессивных средах (вентили, клапаны). Людмила Фирмаль

Если хромировать изделия из низкоуглеродистой стали, то твердость возрастет и приобретет хорошую коррозионную стойкость. Выравнивание-это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя алюминием, который осуществляется в порошковых смесях алюминия или расплавленного алюминия. Его назначение-получение высокой термостойкости поверхности стальных деталей. Алиитизация проводится в твердых и жидких средах. Силицирование и диффузионное насыщение кремния проводили в газовой атмосфере. Кремни-насыщенный слой стальных частей имеет очень высокую твердость, высокую коррозионную устойчивость и увеличенную износостойкость морской воды, азота, хлористого водорода и серной кислоты.

Силицированные детали используются в химической, целлюлозно-бумажной и нефтяной промышленности. Для повышения термостойкости силицирование применяют в изделиях из сплавов на основе молибдена и вольфрама, обладающих высокой термостойкостью. В материаловедении развита теория диффузии макро-и микроэлементов. В макроскопической теории акцент делается на формализме, то есть на термодинамических силах и параметрах. Микроскопическая теория использует механизм, основанный на теории атомных скачков.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

Источник

Диффузия и структура сплавов

Диффузия в сплавах представляет собой перенос гетерогенных атомов, что влечет за собой изменение концентрации компонентов в отдельных зонах. Самодиффузия-это движение атомов того же типа, что и чистый металл или основной компонент. Диффузия атомов углерода с малым атомным радиусом, например, в решетке железа, осуществляется по интерстициальному проходу(рис. Этот процесс очень легко осуществить из-за того, что число атомов, встроенных в решетку, мало по сравнению с числом междоузлий.

Для атомов металла это наиболее вероятный вакансионный механизм диффузии (рис. 4.10) если поблизости есть пустое пространство, замещающий атом легко меняет свое положение. Людмила Фирмаль

Однако в обычных узлах решетки число вакансий меньше числа атомов, что затрудняет диффузию замещенных атомов. По механизму диффузии вакансий он более выгоден в узле искаженной решетки. При диффузии через оба механизма движущиеся атомы должны протискиваться между атомами основного металла, разрывать связи и преодолевать потенциальные барьеры для деформации решетки, для этого атомы должны иметь постоянный уровень энергии активации. Рис 4.9. Переход от этого междоузлия (а) к соседнему Междоузлию © атома, внедренного через неустойчивое промежуточное положение (в)) 157 страниц.

Процесс диффузии отличается различными элементами. Из рисунка. 4.11 коэффициент диффузии меди (Sn, Si, Be, Al, Zn) сильно отличается. Рис 4.11. Зависимость коэффициента диффузии от концентрации различных элементов, диффундирующих в среде. 4.12 схема торможения движения трещин: а-путем ветвления и изменения направления; Б-окклюзия второй фазы секреции Относительно легкая диффузия углерода в железе и сложная диффузия хрома приводят к тому, что только граничные атомы хрома участвуют в образовании карбидов SGR на границах зерен. Границы зерен обеднены хромом, что приводит к межзеренной коррозии хромоникелевых аустенитных сталей. Стабильность структуры и свойств жаропрочных сплавов достигается за счет ингибирования диффузионного процесса.

Ингибирование диффузии, как и ингибирование дислокации, производится соответствующей неоднородностью структуры. Людмила Фирмаль

Ингибирование диффузионных процессов в литой структуре инструментальной стали происходит при формировании развитого дендритного каркаса с термически прочной дендритной фазой карбида. Неоднородность структуры может быть решающим фактором в распространении трещин. Для риса. 4.12-схематическое представление структурных условий, препятствующих возникновению трещин вследствие множественных ответвлений и изменения направления вследствие блокирования секреции второй фазы.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

Источник

Диффузионные процессы в стали

Что такое диффузия в материаловедении. Смотреть фото Что такое диффузия в материаловедении. Смотреть картинку Что такое диффузия в материаловедении. Картинка про Что такое диффузия в материаловедении. Фото Что такое диффузия в материаловедении

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕВРАЩЕНИЙ

Распространено представление, что различие между диффузионными и бездиффузионными процессами превращений заключается в величине смещений атомов. Если смещения не превышают межатомных расстояний, то процессы относятся к бездиффузионным. В том случае, когда перемещения оказываются

большими, чем межатомные расстояния, процесс причисляется к диффузионным. Эти представления ошибочны как по формулировке различия между процессами, так и по описанию существа происходящих явлений.

Чтобы исключить вуалирующее поведение легко подвижных элементов, образующих твердые растворы внедрения (С, N, Н), рассмотрим превращения на примере чистых металлов или твердых растворов замещения. На рис. 1 приведена диаграмма изотермического превращения аустенита для практически безуглеродистого сплава железа с 9,18% Сг. В верхнем районе температур около 700° из аустенита образуются равноосные зерна легированного феррита без заметного изменения концентрации, хрома в них. В интервале 450—270° аустенит превращается с образованием игольчатых кристаллов мартенситного типа. В обоих случаях имеет место переход решетки у-а, причем относительное смещение атомов при бесспорно бездиффузионном мартенситном превращении оказывается, вероятно, несколько большим, но в обоих случаях не превышает межатомного расстояния. Однако процесс в верхнем районе температур, протекающий по «нормальной» кинетике, согласно общепринятым представлениям, относится к процессам диффузионного типа, а в нижнем — к бездиффузионным.

При нагреве холоднодеформированных металлов и сплавов в процессе возврата и рекристаллизации обработки также происходят элементарные перемещения на расстояния, не превышающие межатомные. В то же время по распространенным представлениям процесс рекристаллизации есть процесс диффузионного, а возврата — бездиффузионного типа.

О том, что превращение аустенита в верхнем районе температур существенно отлично от мартенситного, свидетельствует различие в величинах энергии активации для этих процессов: десятки тысяч в первом случае и порядка тысячи калорий на грамм-атом — во втором. В примерно подобном же соотношении находятся теплоты активации возврата и рекристаллизации: 14000—15000 кал/г-атом и 45000—55000 кал/г-атом, соответственно. Столь существенное различие в величинах энергии активации позволяет утверждать, что диффузионные и бездиффузионные процессы, которые не различаются величиной элементарного атомного перемещения, различаются в чем-то другом.

Это другое — характер перемещения атомов. В случае процессов диффузионного типа переход от исходной к вновь образующейся решетке осуществляется путем многократного повторения процессов отрыва и присоединения одиночных атомов. По физической сущности этот процесс оказывается подобным элементарному процессу самодиффузии и диффузии. Поэтому энергия активации этих процессов оказывается близкой к энергии самодиффузии основного металла. Увеличение количества несовершенств, обусловливаемое технологической историей или повышением температуры, способствует ускорению процессов диффузионного типа. Характерным для бездиффузионных превращений является не одиночный перенос атомов от решетки исходной к вновь образующейся фазе, а коллективное направленное перемещение. Такого рода перемещения осуществляются достаточно просто в связи с наличием несовершенств типа дислокаций. С этим связаны низкие величины энергии активаций и кинетические особенности бездиффузионных процессов. Как будет показано ниже, движущими силами и диффузионных и бездиффузионных превращений являются одни и те же термодинамические факторы. Попытки объяснить возникновение бездиффузионных превращений обязательным появлением каких-либо напряжений проистекают из логической ошибки, меняющей местами причины и следствия.

Введение углерода в сплавы железа принципиально не изменяет характер протекания процессов превращения, который связан с изменением состояния металлической матрицы. Иными словами, повышенная подвижность атомов углерода и возможность их диффузии при температурах бездиффузионных превращений в сплавах железа не изменит характера превращений. Вместе с тем возможность перемещения углерода может существенно сказаться на изменении скорости протекания релаксационных процессов. А это в свою очередь приведет к изменению скорости протекания превращения и конечной структуры стали.

С учетом последнего замечания все превращения в стали могут быть разбиты на две группы:

1. Образование аустенита.

2. Перлитное превращение.

3. «Высокотемпературный» отпуск.

1. Мартенситное превращение.

2. Превращение в промежуточном районе температур (игольчато-трооститное или бейнитное).

3. «Низкотемпературный» отпуск.

На превращение Б2 и, в определенных температурных условиях, на превращение БЗ, накладываются процессы диффузии углерода.

Эти виды превращений в стали рассматриваются в последующих главах. Предварительно рассматриваются данные о диффузии и самодиффузии в железе и его сплавах.

2. ДИФФУЗИЯ В СПЛАВАХ ЖЕЛЕЗА

Общие закономерности и теории диффузии рассматриваются в ряде монографий и обзоров. Приведем несколько основных определений.

Диффузия не обязательно связана с изменением концентрации. В металле, состоящем из одноименных атомов, происходит их передвижение в кристаллической решетке. Такого рода перемещение без изменения концентрации наблюдается в чистых металлах и твердых растворах и называется самодиффузией. Успешное исследование явления самодиффузии стало возможным благодаря прогрессу в области атомной техники и массовому получению радиоактивных изотопов различных элементов (так называемых «меченых» атомов).

Диффузия, сопровождающаяся изменением концентрации, происходит только в сплавах и называется гетеродиффузие й. Явление гетеродиффузии наблюдается, например, в процессе химико-термической обработки. Появление большинства новых фаз в процессе термической обработки стали связано с явлением гетеродиффузии.

Скорость протекания диффузионных процессов определяется в первую очередь (но не только) величиной коэффициента диффузии D. Последний численно равен количеству вещества, диффундирующего через единицу площади (например, 1 см 2 ) в единицу времени (например, в 1 сек) при перепаде концентраций, равном единице. Размерность коэффициента диффузии выражается в см 2 /сек; см 2 /сутки и т. д. Очевидно, что чем больше значение коэффициента диффузии, тем быстрее, при прочих равных условиях, протекает процесс диффузии. Однако в значительном числе случаев условия протекания, а не абсолютное значение коэффициента диффузии, определяют скорость диффузионных процессов. Так, коэффициент диффузии углерода в Fe_a выше, чем в Fe_у, однако известно, что цементация стали проводится в аустенитном, а не в ферритном состоянии. Это связано с тем, что предельная растворимость углерода в Fe_у примерно в 100 раз превышает это значение для Fe_a. В связи со значительно большим насыщением аустенита углеродом создается несравнимо больший перепад концентраций, определяющий суммарную скорость протекания процесса цементации.

Следовательно, изменение величины коэффициента диффузии может однозначно определить результаты протекания диффузионного процесса, если при этом сохранились или слабо изменились граничные условия диффузии.

Коэффициент диффузии — объективная характеристика способности элементов к диффузии, — зависит от концентрации диффундирующего элемента и температуры (для сплава данного состава). На рис. 2 показана зависимость коэффициента диффузии углерода в аустените от концентрации углерода. При возрастании содержания углерода от 1 до 6% (атомн.) коэффициент диффузии увеличивается вдвое, а до 7% (атомн.) — почти в три раза. Ранее было показано, что величина коэффициента диффузии D увеличивается по мере приближения концентрации.

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _