Transport masy

w spiekaniu

Karolina Składowska
Gabriela Skowyra

Plan

prezentacji:

 procesy przenoszenia masy w spiekaniu
 prawa i mechanizmy dyfuzji
 przegrupowanie ziaren (mechanizm i

termodynamika), tworzenie szyjek

 dyfuzja objętościowa: przyczyny, przebieg,

skutki

Co to jest spiekanie?

 Proces w którym zbiór drobnych ziaren

przekształca się w sposób trwały w lity
polikryształ, przy czym proces zachodzi w
temperaturze niższej od temperatury topnienia
(0,5-0,8 T

top

 Spiekanie jest procesem samorzutnym, gdyż

wiąże się z obniżaniem nadmiarowej energii
powierzchniowej układu .

Procesy przenoszenia

masy w spiekaniu:

1) przegrupowanie ziaren (zmiana sposobu

ułożenia ziaren)

2) dyfuzja objętościowa
3) dyfuzja po granicach międzyziarnowych
4) dyfuzja po swobodnych powierzchniach
5) dyfuzja poprzez fazę gazową
6) płynięcie makroskopowe (lepkościowe).

Rys. Mechanizmy przenoszenia
masy w toku spiekania
swobodnego i pod ciśnieniem w
układzie jednofazowym

1.Dyfuzja powierzchniowa;
2.Dyfuzja objętościowa;
3.Dyfuzja po granicach
ziaren;
4.Dyfuzyjne pełzanie
lepkościowe;
5.Wzajemny poślizg po
granicy ziaren;
6.Odkształcenie plastyczne;
7.Przenoszenie masy poprzez
fazę gazową

DYFUZJA

Dyfuzja jest procesem, związanym z

molekularnym wyrównywaniem stężeń,

proces bezładnego ruchu elementów

układu prowadzący do ustalenia się

równowagi koncentracji.

• warunkuje zachodzenie wielu istotnych

procesów w metalurgii oraz ceramice,

• istotny proces w materii ożywionej,

• najczęściej spotykane zjawisko fizyczne w

naturze

Czynniki wpływające

na szybkość dyfuzji:

• Temperatura T – wiąże się z drganiami termicznymi

atomów,

• Czas t,
• Wzrost gęstości defektów w sieci sprzyja wzrostowi

wspólczynnika dyfuzji D,

• Wzrost ciśnienia obniża współczynnik dyfuzji.

Jest to przyczyną dyfuzji atomów od

środka szyjki na zewnątrz decydującej

o zmianach w obszarach styku i w

konsekwencji o zagęszczaniu układu.

Dyfuzja objętościowa

Układ naprężeń w szyjce wywołuje

zróżnicowanie stężenia w obszarze styku

ziaren. Wewnątrz szyjki stężenie defektów

jest mniejsze w obszarze

przypowierzchniowym.

Dyfuzja

objętościowa cd.

• Miarą wielkości strumienia atomów lub

wakancji przechodzących w jednostce
czasu przez jednostkowy przekrój w
struktury ziaren lub granicy ziaren jest:

= c

Gdzie

ci - względne stężenie atomów (wakancji);
vi - średnia prędkość znoszenia (dryfowania) pozycji atomów (wakancji) w

kierunku działania siły.

Indeks „i" odnosi się do określonego elementu struktury - atomu lub

wakancji.

Dyfuzja odbywająca się w objętości kryształów a więc w

objętości bloków struktury mozaikowej,

Mechanizmy

dyfuzji

Mechanizm dyfuzji przebiegającej
przez objętość ziarna dzielimy na :
•Wakansowy
•Międzywęzłowy
•Pierścieniowy
•Wymienny

Mechanizm dyfuzji
objetościowej:

I PRAWO FICKA

Definiuje strumień dyfundowanych atomów(szybkość
dyfuzji). Jest stosowane gdy strumień dyfuzji
objętościowej nie zmienia się w czasie.

Gdzie:
J-strumień dyfundujących atomów
D- współczynnik proporcjonalności
C-stężenie
X-odległość od źródła dyfundujących
substancji







II PRAWO FICKA

• Umożliwia wyznaczenie

współczynnika D

• Podaje związek pomiędzy

gradientem stężenia a
szybkością, z jaką w danym
punkcje układu zmienia się
stężenie w wyniku procesu
dyfuzji.

Bardziej „przydatne” prawo dyfuzji: opisuje
przebieg dyfuzji w czasie







)

(







Przegrupowanie

ziaren

• Proces przegrupowania ziaren jest jednym z

najważniejszych mechanizmów przyczyniających się do
zagęszczenia materiału, który prowadzi do stopniowego
zwiększania stopnia przestrzennego upakowania
ziaren, poprzez zmianę ich wzajemnego położenia.

• Siła napędową przegrupowania ziaren jest tworzenie

szyjek. (Im większa powierzchnia powstającej szyjki,
tym większa siła napędowa:

• Proces przegrupowania ziaren prowadzi do:
 zwiększenia gęstości upakowania ziaren w przestrzeni,
 zwiększenia LK
 liczby szyjek międzyziarnowych.

1. Wytwarzanie szyjek.

2.Poslizg po granicach prowadzący do

zwiększenia powierzchni szyjek.

3.Rotacja ziaren.
1 2

γss1> γss2

Mechanizm

przegrupowania

ziaren

Tworzenie szyjek

Spiekanie rozpoczyna się, jak
już wiemy, w momencie
tworzenia się granic rozdziału
ciało stałe – ciało stałe, czyli
szyjek międzyziarnowych.
Szyjka powstaje dzięki
wytworzeniu wiązań
chemicznych między atomami
dwóch sąsiadujacych ze sobą
ziarn , ściśniętymi w centrum
szyjki i rozciągniętymi na jej
obrzeżach, co jest wynikiem
naprężeń występujących w
układzie.

Poślizg po granicach

ziaren

Przegrupowanie ziaren

. (napreżenia w szyjce)

Przegrupowanie ziaren
rozpoczyna się w momencie
utworzenia pierwszych szyjek
i prowadzi do zwiększenia
liczby szyjek przypadających
na każde ziarno

Dyfuzja po granicach ziaren różni się od dyfuzji

objętościowej tylko drogą przemieszczania się atomów

Oba mechanizmy są ukierunkowane gdyż wynikają z

istnienia gradientów, a dokładnie gradientów

wakancji . Teoretycznie gradienty powinny stopniowo

się wyrównać(zanikać), a dyfuzja powinna przestać być

ukierunkowana, jednak układ naprężeń powoduje

stałe źródło wakancji jakim są pory.

Dyfuzja po granicach

międzyziarnowych

Dyfuzja

powierzchniowa

• W początkowych etapach spiekania , główną role

odgrywa dyfuzja po swobodnych powierzchniach
ziaren, zwana inaczej dyfuzją powierzchniową

• W przypadku dyfuzji powierzchniowej mamy do

czynienia z chaotycznym ruchem pojedynczych
atomów lub defektów znajdujących się na
powierzchni ziaren. Zakres dyfuzji
powierzchniowej i jej wpływ na przebieg
spiekania zależy nie tylko od temperatury i
znacznego rozwinięcia powierzchni w układzie.
Decyduje o tym także chemiczny stan
powierzchni ziaren.