Дифузійні процеси - студопедія

Дифузією називається процес мимовільного поширення речовини в будь-якої газоподібної, рідкої або твердої середовищі. Явища такого типу, пов'язані з перенесенням мас, обумовлюються, головним чином, тепловим рухом молекул і атомів.

У газоподібному і рідкому речовинах зміна місць атомів і молекул відбувається порівняно легко внаслідок того, що зв'язки між цими частками ослаблені або повністю порушені. У твердих кристалічних тілах положення атомів фіксовані у вузлах кристалічної решітки, і переміщення окремих атомів речовини відбувається менш інтенсивно, ніж в рідині або газі.

Для розвитку дифузії в металі потрібно, щоб дифундує речовина утворювало з ним твердий розчин. Атоми самого металу також переміщаються і міняються місцями при тепловому русі, цей процес називається самодифузії.

Найчастіше дифузія протікає в напрямку зниження концентрації речовини, але в деяких умовах може йти і в бік її підвищення. У першому випадку відбувається рівномірний розподіл речовини за обсягом розчинника, у другому випадку - поділ компонентів.

У твердих металах можливі три шляхи дифузії атомів в решітці розчинника:

- за рахунок простого обміну місцями сусідніх атомів;

- внаслідок проникнення атомів в простір між вузлами кристалічної решітки;

- шляхом переміщення вакансій, в результаті якого відбувається і переміщення атомів.

Дифузія переважно здійснюється по третьому шляху.

Швидкість дифузії визначається кількістю речовини, що дифундує через одиницю площі поверхні розділу фаз за одиницю часу. Відповідно до першого закону Фіка:

кількість речовини dM, продіффундіровавшего за час dt через елемент поверхні dS пропорційно градієнту концентрації.

Закон Фіка справедливий для малих концентрацій і диффундирующего речовини, далеких від концентрації насичення.

Знак «-» в рівнянні показує, що дифузія протікає в напрямку зменшення концентрації (напрямок градієнта концентрації не збігається з напрямком дифузії).

Коефіцієнт пропорційності D [см 2 / с] називається коефіцієнтом дифузії. Коефіцієнт дифузії - кількість речовини, що дифундує через одиницю площі за одиницю часу при перепаді концентрації, що дорівнює одиниці. Залежить він від природи сплаву, розміру зерна і особливо сильно від температури. Температурна залежність коефіцієнта дифузії підпорядковується експоненціальним законом:

де Do - предекспоненціальний множник, величина якого визначається типом кристалічної решітки; E - енергія активації процесу, ккал / г-ат .; R - газова постійна; T - температура, К.

Енергія активації дифузії характеризує енергію зв'язку атомів в кристалічній решітці. Чим вище значення Е. тим більше величина енергії, необхідної для переходу атома з першого рівноважного положення кристалічної решітки в інше таке ж рівноважний стан. Необхідний для переходу надлишок енергії купується атомом від його сусідів завдяки безперервному обміну кінетичної енергією з сусідніми атомами.