Диффузия железа

Диффузию характеризует процесс самопроизвольно распространяющегося вещества в какой-либо среде жидкого, твердого или газообразного типа.

Явления такого вида, как диффузия, связаны с переносом масс, и обусловлены, главным образом, неорганизованным тепловым атомным и молекулярным движением.

Процесс диффузии

Диффузию необходимо отличать от конвекции, характеризуемой видом тепловой передачи, где внутренняя энергия будет передаваться за счет струй и потоков. Существует также конвекция естественного типа, возникающая внутри в вещества самопроизвольным образом в условиях его неравномерного нагревания в поле тяготения. В случае такой конвенции наблюдается нагревание нижних слоев вещества и их более легкая масса, за счет чего они всплывают, при этом верхние слои утяжеляются, опускаясь вниз. Далее мы наблюдаем постоянное повторение такого процесса.

При конвекции перемешивание в большей степени считается организованным молекулярным и атомным движением молекул. Перемена мест молекул и атомов в жидком и газообразном веществах будет осуществляться сравнительно легко, что объясняется ослаблением или полным нарушением связи между данными частицами.

Что касается твердых кристаллических тел, положения атомов фиксируются в узлах кристаллической решетки, но и в такой ситуации миграция (блуждание отдельных атомов вещества) может быть вполне возможной, хотя при этом и будет происходить менее интенсивно, чем в газе или жидкости.

Зачастую диффузия будет протекать в направлении понижения концентрации вещества, однако при некоторых условиях возможен ее ориентир на повышение. Речь идет о нисходящей (в первом случае) и восходящей (во втором) диффузии. Следствием диффузии нисходящего типа становится распределение вещества по объему растворителя равномерным образом. Результатом восходящей диффузии станет разделение компонентов.

Основные законы диффузии для металлов

$dM=-{DdSdt}\frac{dC}{dx}$

Коэффициент пропорциональности $D$ назван коэффициентом диффузии.

Закон Фика будет справедливым и в случае незначительных концентраций диффундирующего вещества. Процесс диффузии считается аналогичным явлению распространения тепла в условиях теплопроводности. Количество вещества будет соответствовать количеству тепла, а концентрация - самой температуре. По этой причине второй закон диффузии в металлах можно вывести аналогично уравнению теплопроводности:

$\frac{dC}{dt}=D\left(\frac{d^2C}{dx^2}+\frac{d^2C}{dy^2}+\frac{d^2C}{dz^2}\right)$

В вышеуказанном уравнении предполагается сильная зависимость коэффициента диффузии от концентрации элемента и различие (анизотропность) в разных направлениях.

Особенности процессов диффузии в условиях сварки плавлением

Диффузию сопровождает изменение концентрации. Ее осуществление становится возможным исключительно в сплавах или металлах, имеющих повышенное содержание примесей. Такая диффузия будет называться гетеродиффузией. Перемещения атомов, не взаимосвязанных с изменением концентрации в разных объемах получили название самодиффузии.

В условиях сварки плавлением будут взаимодействовать между собой такие фазы, как твердая, газообразная и жидкая. Вследствие этого, осуществление диффузионных процессов становится возможным по таким схемам:

• между фазами газового и жидкого типа;
• в фазе жидкого типа;
• на границах между несмешивающимися жидкостями;
• на границах между твердой фазой и жидкостью;
• в условиях твердой фазы.

Максимальная степень газонасыщения металла в процессе сварки плавлением обычно будет наблюдаться в каплях, в то время, как избыточная часть газов в сварочной ванне стремится отделить от металла.

Коэффициент диффузии $D$ представляет то количество вещества, которое продиффундировало через единицу времени в условиях перепада равной единице концентрации. Он будет зависимым от природы сплава, а также размеров зерна, и в особенно сильной степени - от температуры. Такую температурную зависимость описывает экспоненциальное уравнение:

$D={D_оe}-\frac{Q}{RT}$, где:

• $D_о$–множитель, чья величина определяется, в зависимости от типа кристаллической решетки;
• $R$– газовая постоянная;
• $T$– температура,
• $Q$– энергия активации диффузии, характеризующая энергию атомной взаимосвязи в кристаллической решетке и сильно влияющая на коэффициент диффузии.

Диффузия положена в основу большинства протекающих в металлах и сплавах фундаментальных процессов, например, кристаллизации, фазовых превращений, рекристаллизации, деформации, химико-термической обработки и прочих.

Чтобы начался процесс кристаллизации, необходимо условие, при котором процесс должен быть термодинамически выгодным для системы и сопровождаться уменьшением ее свободной энергии. Это становится возможным при условии охлаждения жидкости ниже температуры ТS.

Температура, при которой будет начинаться процесс кристаллизации, называется фактической температурой кристаллизации. Охлаждение жидкости, которое окажется ниже равновесной температуры кристаллизации, получило название переохлаждения, характеризуясь при этом степенью переохлаждения $\delta T$

$\delta T = T_{теор} - T_{пр}$

Степень переохлаждения будет зависеть от:

• природы металла;
• степени его загрязненности (чем чище будет металл, тем большей окажется степень переохлаждения);
• от скорости охлаждения (чем выше будет скорость охлаждения, тем большей станет степень переохлаждения).

В условиях нагревания всех кристаллических тел будет фиксироваться четко обозначенная граница перехода из твердого в жидкое состояние. Подобная граница будет существовать и при обратном переходе. Определяющее влияние на размер и форму зерен, формирующихся при кристаллизации, будут оказывать:

• температура жидкого металла;
• скорость охлаждения жидкого металла;
• направление отвода теплоты.

Кристаллизация металлов в большинстве случаев будет протекать при большой скорости (кристаллизация в условиях заливки жидкого металла в изложницу, кристаллизация расплава в момент литья в металлические формы, при непрерывной разливке).

В жидком металле при соответствующем понижении температуры начнут зарождаться центры кристаллизации (зародыши). Необходимым условием начала их роста является уменьшение свободной энергии металла, если этого не будет - зародыш растворяется.