Файл: 1 Диффузия 3 1 Механизмы протекания диффузии 3.docx

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Диффузия в сплавах представляет собой перенос разнородных атомов, который сопровождается изменением концентрации компонентов в отдельных зонах.

Самодиффузией называют перемещение атомов одного и того же типа в чистых металлах или основного компонента - в сплавах.

Диффузия атомов внедрения с малым атомным радиусом, например углерода в решетке железа, осуществляется межузельным путем . Этот процесс довольно легко реализуется благодаря тому, что число внедренных атомов в решетке мало по сравнению с числом междоузлий.

Металловедение - наука, устанавливающая связь между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов и изучающая закономерности их изменения при физических или химических воздействиях. Металлы и сплавы принято делить на две группы: черные металлы и сплавы - железо и сплавы на его основе; цветные металлы и сплавы. Кобальт, никель и марганец часто относят к металлам железной группы. Цветные металлы разделяют на легкие; легкоплавкие; тугоплавкие; благородные; обладающие химической инертностью; урановые; редкоземельные; лантаноиды; щелочноземельные. Общим для всех металлов является: характерный металлический блеск, хорошая отражательная способность и непрозрачность; высокие пластические свойства; высокая теплопроводность и электропроводимость; зависимость электропроводимости от температуры; термоэлектронная эмиссия - способность испускать электроны при нагреве.

1 Диффузия

1.1 Механизмы протекания диффузии

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 металлах 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.[1]

---

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.

Явление диффузии атомы соприкасающихся металлов диффузия ... 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).

1.2Кристаллическое строение металлов

Все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение - атомы (ионы) расположены не хаотично, а в определенном порядке. При этом мелкие кристаллы различно ориентированы по отношению друг к другу. В твердом состоянии металл представляет собой систему из положительно заряженных ионов, «омываемых газом» из свободных коллективизированных электронов. В системе действуют электростатические силы притяжения (металлическая связь). Силы связи в металлах определяются силами притяжения и силами отталкивания между электронами и ионами. Атомы располагаются на таком расстоянии друг от друга, на котором суммарная сила взаимодействия минимальна. Поэтому в металлах атомы располагаются закономерно, в геометрически правильном порядке, соприкасаясь внешними электронными сферами, образуя правильную кристаллическую решетку, соответствующую минимальной энергии взаимодействия. Кристаллическая решетка состоит из воображаемых линий и плоскостей, проходящих через точки расположения ионов в пространстве. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, называется элементарной кристаллической ячейкой. Большинство металлов имеют кристаллическую решетку одного из трех типов: объемно-центрированный куб - ОЦК - имеют металлы РЬ, К, Na, Li, Ti, W, Та, Cr и др.; гранецентрированный куб - ГЦК - имеют металлы Sr, Tn, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt и др.; Расстояние между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называется периодом ячейки. Он выражается в нанометрах (1 нм = 10-11 м). На одну элементарную ячейку ОЦК приходятся два атома: один в центре, другой - в вершине куба. На одну элементарную ячейку ОЦК приходятся четыре атома: один в вершине куба, а три - атомы, находящиеся в середине грани. Плотность кристаллической решетки характеризуется координационным числом, равным числу атомов, находящихся на одинаковом и наименьшем расстоянии от рассматриваемого атома. В элементарной ячейке ОЦК расстояние между атомами равно 0,5√3а. На этом расстоянии у атома находятся восемь соседей. Координационное число равно 8 и обозначается К8 (К - кубическая решетка). Плотность упаковки атома (коэффициент компактности ячейки), равная отношению объема, занятого атомами, к объему ячейки, составляет 68 %. Для ГЦК координационное число равно К12; плотность упаковки - 74 %. Для ГПУ в качестве характеристики ячейки принимаются два параметра: сторона шестиугольника а и высота призмы b. Координационное число равно Г12 (Г - гексагональная решетка). В разных сечениях (плоскостях) кристаллической решетки число атомов неодинаково. Поэтому свойства кристалла (механические, физические и химические) в различных направлениях разные. Это свойство кристаллов называется анизотропией.[2]

---

2 Кристаллизация металлов

2.1 Дендритная кристаллизация металлов

При условии очень медленного охлаждения и отсутствии атомов примесей в жидкости рост кристалла от своего зародыша происходит равномерно во всех направлениях. При ускоренном охлаждении, наблюдаемом в большинстве случаев при кристаллизации металлов, механизм образования кристаллов (зерен) носит дендритный характер.

Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происходит с неравномерной скоростью. После образования зародыши развиваются главным образом в тех направлениях, в которых скорость роста максимальна. В этих направлениях образуется как бы ствол будущего кристалла, называемый осью (или ветвью) первого порядка. Оси первого порядка не только удлиняются, одновременно они разрастаются в стороны, вследствие чего они толще у основания и тоньше у острия. В дальнейшем от осей первого порядка под определенными углами начинают расти новые оси, которые называются осями второго порядка; от ветвей второго порядка растут ветви третьего порядка и т.д. По мере роста ветви более высокого порядка (четвертого, пятого, шестого и т.д.) постепенно заполняют все промежутки, ранее занятые жидким металлом. Когда все промежутки дендрита заполнены, наблюдать дендритное строение можно только в условиях, когда не хватает жидкого металла для заполнения пространства между осями, например в поверхностных слоях кристаллизующегося металла, так как жидкий металл направляется на заполнение пространства между осями кристаллов, образующихся в нижележащих слоях (т.е. отступает от растущих в поверхностных слоях кристаллов).

Рост кристаллов дендритной (разветвленной) формы обусловливают примеси, посторонние атомы в жидкости. Поэтому реальные сплавы затвердевают, образуя преимущественно дендритные кристаллы. Дендритное строение зерен, не различимое при визуальном осмотре, хорошо видно при наблюдении под микроскопом.

При заливке в форму (изложницу) большой массы металла он не затвердевает одновременно во всем объеме слитка. Затвердевание начинается у мест, от которых отводится теплота, — у стенок и дна изложницы, а затем распространяется внутрь формы. Поэтому в слитке наблюдаются области (зоны) с неодинаковым строением кристаллов (зерен).

Схема строения стального слитка приведена на рис. 2. В слитке имеются три структурные зоны:

---

О зона 1 — мелкие равноосные кристаллы, образующиеся при соприкосновении расплавленного металла с холодными стенками изложницы. Здесь металл переохлаждается и возникает множество центров кристаллизации, тем более что посторонние твердые частицы и выступы на поверхности изложницы создают дополнительные центры кристаллизации. Зона 1 распространяется на небольшую глубину;

О зона 2 — крупные столбчатые кристаллы, которые растут перпендикулярно стенкам и дну изложницы, в сторону, обратную направлению отвода теплоты от жидкости;

О зона 3 — различно ориентированные равноосные кристаллы разного размера, причем они всегда больше кристаллов зоны 1.[3]



Рис. 2. Схема строения стального слитка

С точки зрения механической прочности столбчатые кристаллы для малопластичных металлов нежелательны. Особенно непрочными являются места встречи дендритов, растущих от разных стенок изложницы; здесь образуются различные дефекты — пустоты, неметаллические включения и т.п. Вследствие неравномерной кристаллизации зерен дендритной формы химический состав в разных местах одного и того же дендрита получается неоднородным. Неоднородность состава внутри одного кристалла называют внутрикристаллической или дендритной ликвацией.

В результате кристаллизации по зонам в слитке отмечается также ликвация, называемая зональной (макроскопической).

Наибольшее скопление примесей наблюдается в центре, в верхней части слитка.

При затвердевании и охлаждении слитка происходит сокращение объема, которое называется усадкой. Усадка не может происходить за счет общего понижения уровня металла, так как затвердевание слитка начинается у стенок и дна изложницы, а также с поверхности. Если принять, что сверху слитка поверхностной корки не образуется (это иногда бывает и практически), то слиток будет затвердевать по усадочной схеме, приведенной на рис. 3.



Рис. 3. Схема образования усадочной раковины

Затвердевание у стенок изложницы слоя 1 с уменьшением объема вызовет понижение уровня оставшегося жидкого металла, затвердевание слоя 2 и последующих слоев будет вызывать все большее понижение уровня жидкого металла. В результате в слитке получится воронкообразное углубление — усадочная раковина.

---

Под усадочной раковиной обычно располагаются ликва- ционная зона и мелкие усадочные раковинки (поры), которые создают зону, называемую усадочной рыхлостью. Усадочная рыхлость обусловлена образованием между растущими кристаллами отдельных замкнутых объемов металла, в которых происходит местная усадка и появляются мелкие раковины.

Та часть слитка, где расположены усадочная раковина, усадочная рыхлость, ликвационная зона, является дефектной частью (прибыльная часть), ее нельзя использовать для изготовления деталей, а необходимо отделить от здоровой части слитка. Перед дальнейшей обработкой давлением прибыльная часть слитка отрубается или отрезается, что дает отход 15—25 % металла.

2.1 Дефекты кристаллического строения металлов (дислокация) и их влияние на прочность

В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, обусловленные нарушением правильного расположения атомов кристаллической решетки. Де­фекты кристаллического строения подразделяют  по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные. Атомы совершают колебательные движений возле узлов решетки, и с повышением температуры амплитуда этих колебаний увеличивается. Большинство атомов данной кристаллической решетки имеют одинаковую (среднюю) энергию и колеблются при данной температуре с одинако­вой амплитудой. Однако отдельные атомы обла­дают энергией, значительно большей средней энер­гии, и перемещаются из одного места в другое. Наиболее легко перемещаются атомы поверх­ностного слоя, выходя на поверхность. Место, где находился такой атом, называется вакансией (рис. 2, а).   Рис. 2. Дефекты в кристаллах: а - вакансия, б — внедренный атом, в   краевая линейная дислокация, г - неправильное расположение атомов на границе зерен 1 и 2     

На это место через некоторое время перемещается один из атомов соседнего слоя и т. д. Таким образом вакансия перемещается в глубь кристалла. С повышением температуры ко­личество вакансий увеличивается и они чаще пе­ремещаются из одного узла в другой. В диффу­зионных процессах, протекающих в металлах, ва­кансии играют определяющую роль. К точеч­ным дефектам относят также атом, внед­ренный в междоузлие кристаллической решетки (рис. 2, б), и замещенный атом, когда место ато­ма одного металла замещается в кристалличес­кой решетке другим, чужеродным атомом. Точеч­ные дефекты вызывают местное искажение кри­сталлической решетки. Линейные дефекты  являются другим важнейшим видом несовершенства кристалличе­ской решетки, когда в результате сдвига на одно межатомное расстояние одной части решетки относительно другой вдоль какой-либо плоскости число рядов атомов в верхней части решетки на один больше, чем в нижней. В данном случае в верхней части решетки появилась как бы лиш­няя атомная плоскость (экстраплоскость). Край экстраплоскости, перпендикулярный направле­нию сдвига, называется краевой, или линейной, дислокацией (рис. 2, в), длина которой мо­жет достигать многих тысяч межатомных рас­стояний. Шириной дислокации считают расстоя­ние от центра дефекта до места решетки без ис­кажения. Ширина дислокации мала и составляет несколько атомных расстояний. Кристаллическая решетка в зоне дислокации упруго искажена, поскольку атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного состоя­ния. Для дислокации характерна их легкая по­движность. Это объясняется тем, что атомы, об­разующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное состояние. Дислокации образуют­ся в процессе кристаллизации металлов а также при пластической деформа­ции, термической обработке и других процессах. Поверхностные дефекты представляют собой границы раздела между отдельными кри­сталлами (рис. 2, г). На границе раздела атомы кристалла расположены менее правильно, чем в его объеме. Кроме того, по границам раздела скапливаются дислокации и вакансии, а также концентрируются примеси, что еще больше наpyшает порядок расположения атомов. При этом сами кристаллы разориентированы, т. е. могут быть повернуты относительно друг друга на де­сятки градусов. Прочность металла может либо увеличиваться вследствие искажений кристалли­ческой решетки вблизи границ, либо уменьшать­ся из-за наличия примесей и концентрации де­фектов. Дефекты в кристаллах существенно вли­яют на свойства металлов.

---