Процесс диффузии в металлах
1. Что такое диффузия в
металлах и сплавах? Каково влияние диффузии на свойства? Приведите примеры
Диффузия - движение частиц среды,
приводящее к необратимому переносу вещества или к установлению равновесного
распределения концентраций частиц данного сорта в среде. В качестве
диффундирующих частиц рассматривают молекулы, атомы, электроны проводимости,
дырки, нейтроны и другие частицы. Диффузия в твердых веществах приводит к
переносу атомов на расстояния, превышающие межатомные расстояния для данного
вещества.
Частным случаем диффузии в чистом
веществе или растворе постоянного состава, при котором диффундируют собственные
частицы вещества, а его химический состав не меняется, является самодиффузия.
При самодиффузии диффузионные перемещения частиц твердого вещества могут
приводить к изменению его формы и другим явлениям. Так, длительное воздействие
сил поверхностного натяжения, тяжести, упругих, электрических и др. может
привести к сращиванию двух пришлифованных поверхностей образцов одного и того
же вещества, спеканию порошков, растягиванию образцов под действием
подвешенного к ним груза (диффузионная ползучесть материалов) и т.д.
В отсутствие макроскопического
движения среды диффузия молекул (атомов) определяется их тепловым движением.
При наличии в среде стационарных перепадов температуры, электрических полей и
т.п. диффузия приводит к установлению равновесного распределения концентраций,
характеризуемого соответствующими градиентами (термодиффузия, электродиффузия и
т.п.). В однородной системе (газ, жидкость) при молекулярной диффузии в
отсутствие внешних воздействий диффузионный поток (поток массы) пропорционален
градиенту его концентрации. Коэффициент пропорциональности называется
коэффициентом диффузии. Последний зависит от строения и структуры взаимодействующих
веществ и особенно сильно - от температуры.
В твердых кристаллических веществах
различают следующие виды диффузии: по механизму протекания, по геометрическому
месту переноса атомов, по месту поглощения атомов и по природе процесса.
Рис. 1. Схемы механизмов
протекания диффузии:
а - межузельный; б -
вакансионный; в-обменный; г - циклический
Механизм протекания диффузии может
быть межузелъным, вакансионным, обменным и циклическим (рис. 1). Реализация
того или иного механизма протекания диффузии определяется кристаллическим
строением вещества и типом дефектов его кристаллической решетки. Так, доказано,
что основным механизмом диффузии примесных атомов в твердых растворах замещения
является вакансионный, а в твердых растворах внедрения - межузельный.
По геометрическому месту переноса
атомов выделяют объемную, поверхностную (из внешней среды) и граничную (по
границам зерен) диффузии. Для совершения элементарного акта диффузии атом
должен преодолеть энергетический барьер. Наиболее легко диффузия протекает по
поверхности и границам зерен, где сосредоточены дефекты кристаллического строения
(вакансии, дислокации и др.). Объемная диффузия в твердых веществах обусловлена
перескоками атомов из одного положения в другое, относительно свободное.
Поверхностная диффузия связана с
переносом вещества или на поверхность материала из внешней среды, или с
поверхности материала во внешнюю среду, или на поверхность материала из его
объема, или же вглубь материала с его поверхности (сорбционные процессы).
Сорбция - поглощение твердым телом
или жидкостью какого-либо вещества из окружающей среды. Поглощающее тело
называется сорбентом, поглощаемое - сорбтивом (сорбатом).
По месту поглощения атомов различают
поверхность и объем. При этом сорбционные процессы, протекающие на поверхности,
называются адсорбцией, а в объеме - абсорбцией. Сорбционные процессы
избирательны и обратимы. Обратный процесс выделения поглощенного компонента
называется десорбцией.
Адсорбция - поглощение вещества из
газовой или жидкой среды поверхностным слоем твердого тела (адсорбента) или
жидкости.
Абсорбция - поглощение какого-либо
вещества из окружающей среды всей массой поглощающего тела (абсорбента).
Абсорбция жидким абсорбентом какого-либо компонента из газовой смеси называется
растворением, из жидкой смеси - экстракцией.
Природу диффузии по характеру
сорбционных процессов рассматривают как физическую, если вещество при
сорбционных процессах сохраняет все свои свойства, или химическую
(хемосорбция), если вещество в этих процессах вступает в реакции. При
физической природе сорбционные процессы обусловлены вандерваальсовыми силами
притяжения частиц окружающей среды к частицам вещества.
Диффузионные процессы лежат в основе
кристаллизации и рекристаллизации, фазовых превращений и насыщения поверхности
сплавов другими элементами. С процессом диффузии связаны структурные изменения
в материалах, которые могут ухудшать их физические и механические свойства.
Фазовые и структурные превращения
при нагреве и охлаждении, получение того или иного структурного состояния
металла и соответственно его свойства, связаны с протеканием диффузионных
процессов. Даже образование при закалке мартенсита, считающееся бездиффузионным
превращением, зависит от однородности твердого раствора перед закалкой,
определяемого диффузией растворенных элементов.
Диффузия в значительной степени
определяет кинетику физико-химических процессов, обусловливающих разрушение
материалов, ползучесть, старение, коррозию и др. Так, например, адсорбция газов
или жидкостей из внешней среды приводит к ухудшению диэлектрических свойств
изоляционных материалов, понижает прочность металлов и изменяет другие
свойства.
Очень большое значение процессы
диффузии имеют при различных видах сварки. При сварке давлением в твердой фазе
диффузия является основным процессом, определяющим рекристаллизацию и улучшение
свойств сварного соединения после установления связи между свариваемыми
активированными поверхностями. При сварке плавлением процессы диффузии влияют
на степень химической и механической неоднородности металла шва и сварного
соединения. Особенно большое значение процессы гетеродиффузии имеют для
формирования сварных соединений разнородных сталей и разнородных металлов, так
как обычные закономерности диффузионного процесса осложняются специфическими
условиями диффузии - реакционной диффузией и диффузией, вызванной влиянием
состава на изменение термодинамической активности растворенного и
диффундирующего вещества.
диффузия сплав металла
Рядом с диаграммой справа начертить
кривую охлаждения данного сплава, показав связь критических точек на диаграмме
и кривой охлаждения.
Описать сущность превращений,
происходящих в сплаве при медленном охлаждении от температуры в жидком
состоянии до комнатной. Обязательно пояснить причины, вызывающие превращения.
На ординате сплава отметить точку,
соответствующую температуре 650°С, и
провести через нее коноду. Пользуясь правилом отрезков, определить фазы,
составляющие сплав при заданной температуре; их количество, %, и состав
(содержание компонентов, %).
Диаграмма состояния Fe-Fe3C
(рис. 2) характеризует фазовый состав и структуру в системе с концентрацией от
чистого железа до цементита, содержащего 6,67% С. По оси абсцисс диаграмма
имеет две шкалы, показывающих содержание углерода в сплаве и количество
цементита. Координаты характерных точек приведены в табл. 1.
Рис. 2. Диаграмма
состояния Fe-Fe3C
Таблица 1. Характерные
точки диаграммы состояния железо-цементит
Точки А и D характеризуют
температуру плавления железа и цементита соответственно. Точки N и G -
температуры полиморфных превращений железа. Точки Н и Р характеризуют
максимальную растворимость углерода в ОЦК решетке железа в высокотемпературной
и низкотемпературной областях. Точка Е определяет максимальную растворимость
углерода в железе с ГЦК решеткой. Фазовые превращения в системе Fe-Fe3C
происходят как при затвердевании из жидкого агрегатного состояния, так и в
твердом агрегатном состоянии. Первичная кристаллизация идет в областях между
линиями ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF). Вторичная кристаллизация в твердом
агрегатном состоянии является следствием полиморфного превращения железа и
изменения растворимости углерода в железе с изменением температуры.
На линии ликвидус начинается
кристаллизация из расплава соответственно на участке АВ - феррита (δФ), на участке ВС -
аустенита (А) и на участке СD - цементита первичного (ЦI). На линиях
АН и JЕ завершается кристаллизация δФ и аустенита из жидкой фазы. Для диаграммы Fe-Fe3C
характерны три изотермических превращения:
перитектическое на линии HJВ при
температуре 1499°С
ФН + ЖB
АJ;
- эвтектическое на линии ECF при
температуре 1147°С
ЖC АE + ЦF;
эвтектоидное на линии PSK при
температуре 727°С
АS ФP + ЦK.
Эвтектическая смесь аустенита и
цементита называется ледебуритом (Л), а эвтектоидная смесь феррита и цементита
вторичного - перлитом (П). Ледебурит и перлит рассматривают как самостоятельные
структурные составляющие. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и
обладает высокими механическими свойствами: sв = 800…900 МПа, s0,2 = 450 МПа, δ £ 16%,
твердость НВ 180…220.
Ледебурит имеет сотовое или
пластинчатое строение. Сотовая структура образуется при медленном охлаждении и
представляет собой пластины цементита, переплетенные кристаллами аустенита.
Большое количество цементита, присутствующего в ледебурите, обеспечивает его
большую твердость, порядка 600 НВ, и хрупкость, что затрудняет механическую
обработку сплавов с ледебуритной структурой.
Стали в зависимости от содержания
углерода подразделяются на эвтектоидные, содержащие ~ 0,8% С, доэвтектоидные
(от 0,02 до 0,8% С) и заэвтектоидные (более 0,8 и до 2,14% С).
Такой сплав называется
заэвтектоидной сталью (>0,8% С), ниже 727°С будет иметь следующую
перлитно-цементитную структуру.
Рис. 3 иллюстрирует охлаждение
заэвтектоидной стали.
Основные фазы диаграммы:
– жидкость - жидкий раствор
углерода в железе;
– аустенит - твердый раствор
углерода в γ-железе;
– феррит - твердый раствор
углерода в α-железе;
– цементит - химическое
соединение железа и углерода Fе3С;
Рис. 3. Диаграмма
железо-цементит (слева), кривая охлаждения для сплава, содержащего 1,5%
углерода (справа)
Выше точки 1 сплав находится в
жидкой фазе (жидкий расплав углерода и Fe, фаза L), число степеней свободы - С = 2 -
1 + 1 = 2 (температура может изменяться).
При достижении точки 1 в жидкости
начинается первичная кристаллизация аустенита. Ниже точки 1 и выше точки 2
сплав имеет двухфазное состояние: жидкость и кристаллы аустенита (Ж → Ж +
А, С = 2 - 2 + 1 = 1, температура может меняться). Состав кристаллов меняется
по линии солидус JE, а жидкой фазы по линии ликвидус BC.
Ниже линии солидус точки 2 сплав
находится в твердом однофазном состоянии твердого раствора (аустенит). При
дальнейшем охлаждении (2 → 3) аустенит просто остывает, не меняя состава.
В т. 3 из аустенита начинает
кристаллизоваться вторичный цементит. По мере понижения температуры состав
аустенита изменяется по линии ES. В т. 4 (7270С) имеем цементит
(6,67% С) и аустенит, содержаний 0,8% углерода, распадающийся на перлит (С = 2
- 3 + 1 = 0, температура не меняется до полного превращения, горизонт 4-4').
Ниже 7270С структура
перлит + вторичный цементит.
Нанесем на диаграмму коноду abc,
соответствующую температуре 650°С и
определим при этой температуре количественное соотношение фаз и процентное
содержание углерода в этих фазах.
Процентное содержание углерода в
феррите определяем при помощи точки а коноды abc: 0,015% С.
Процентное содержание углерода в цементите определяем при помощи точки с
коноды abc: 6,67% С.
Тогда количество феррита:α = bc/ac ∙ 100% = (6,67 - 1,5) / (6,67 - 0,015) ∙ 100% ≈
78%
Количество цементита:Fe3C = 100 - 78% = 22%
Соотношение фаз: QFe3C: Qα = 1: 3,54.
Список литературы
2. Металловедение и технология металлов: учеб. для вузов /
Ю.П. Солнцев [и др.]. - Москва: Металлургия, 1988. - 512 с.
. Материаловедение: учеб. для вузов / Б.Н. Арзамасов [и
др.] под ред. Б.Н. Арзамасова. - 2-е изд. - Москва: Машиностроение, 1986. - 383
с.
. Материаловедение / Б.Н. Арзамасов [и др.]. - 7 изд. -
Москва: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 648 с.
. Материаловедение: учебник / В.А. Струк [и др.]. - Минск:
ИВЦ Минфина, 2008. - 519 с.
. Сидорин И.И. Косолапов Г.Ф. Материаловедение: Учебник для
высших технических учебных заведений. 2006 - 215 с.
. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение. 2006 - 263 с.