DW

1.Stop metali (dawniej także: aliaż) – tworzywo o właściwościach metalicznych, w którego strukturze metal jest osnową, a poza nim występuje co najmniej jeden dodatkowy składnik, zwany dodatkiem stopowym. Dodatki są wprowadzane w celu poprawienia wytrzymałościowych właściwości materiału. Zwykle pogarszają plastyczność, przewodnictwo elektryczne, przewodnictwo cieplne. Często zmniejszają również odporność na korozję.

Stopy otrzymuje się najczęściej przez stapianie składników w stanie ciekłym i odlewanie, po którym – w czasie chłodzenia i dodatkowych zabiegów obróbki cieplnej – powstaje struktura decydująca o właściwościach. Są stosowane również inne techniki wytwarzania stopów, tj. spiekanie, elektroliza lub nasycanie dyfuzyjne w stanie stałym (obróbka powierzchni wyrobów, np. azotowanie, nawęglanie, kaloryzowanie i inne)[1].

2.Dyfuzja - proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek lub energii w danym ośrodku (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobą lub z cząsteczkami otaczającego ją ośrodka. Ze względu na skalę zjawiska, rozpatruje się dwa podstawowe rodzaje dyfuzji:

Podstawowymi prawami opisującymi dyfuzję są prawa Ficka. Pierwsze prawo Ficka stwierdza że:

strumień cząstek dyfuzji jest proporcjonalny do gradientu stężenia

gdzie:

J - strumień składnika (masa molowa składnika przepływająca przez jednostkowy przekrój w jednostce czasu),

D - współczynnik dyfuzji,

φ - stężenie [(ilość substancji) na jednostkę objętości],

x - współrzędna osi, wzdłuż której zachodzi dyfuzja.

3.Pierwsze prawo Ficka jest stosowane w opisie procesów dyfuzji, np. kiedy stężenie strumienia dyfuzji objętościowej nie zmienia się z czasem Jin = Jout.

W przestrzeni jednowymiarowej strumień dyfuzji wynosi:

gdzie:

J jest strumieniem składnika (ilość substancji przepływająca przez jednostkowy przekrój w jednostce czasu) [(ilość substancji) x długość−2 x czas-1], np.

D jest współczynnikiem proporcjonalności dyfuzji w jednostce [długość2 x czas-1], np.

φ jest stężeniem [(ilość substancji) x długość-3], np.

x jest odległością od źródła dyfundującej substancji [długość], np. m

Ilość substancji może być wyrażona za pomocą różnych wielkości fizycznych, np. masy, liczby moli cząsteczek lub liczby cząsteczek, jednak powinna być wyrażona za pomocą tej samej wielkości w wyrażeniach opisujących strumień i stężenie. Wtedy wymiar współczynnika dyfuzji jest taki sam, niezależnie od wyboru tej wielkości[1].

D (współczynnik dyfuzji) jest proporcjonalny do szybkości dyfundujących cząsteczek, zależy także od temperatury, specyficznej budowy ośrodka, lepkości substancji (w tym przypadku cząsteczki zachowują się zgodnie z prawem Stokesa-Einsteina). Współczynnik ten określa zdolność dyfundowania cząsteczek pod wpływem gradientu stężenia. Dla np. cząsteczek związków organicznych współczynnik dyfuzji mieści się w granicach: 10-11 do 10-10 .

W dwu lub większej ilości wymiarów należy użyć operatora nabla lub operatora gradientu, co prowadzi do wzoru:

.

4.Drugie prawo Ficka jest stosowane, gdy strumień dyfuzji zmienia się lokalnie w czasie:

Gdzie:

D jest współczynnikiem proporcjonalności dyfuzji w jednostkach [długość2x czas−1], np.

φ jest stężeniem [ilość substancji x długość-3], np.

x jest odległością od źródła dyfundującej substancji [długość], np. m (metr)

t jest czasem [s]

Prawo to może zostać wyprowadzone z pierwszego prawa Ficka oraz prawa zachowania masy:

Zakładając że wartość współczynnika dyfuzyjności D jest stała (niezależna od stężenia) można otrzymać drugie prawo Ficka w postaci:

W przypadku dyfuzji w przestrzeni dwu lub więcej wymiarowej drugie prawo Ficka przyjmuje postać:

,

czyli sprowadza się do równania przewodnictwa cieplnego.

Jeśli wartość współczynnika dyfuzyjności D nie jest stała, ale zależy od położenia lub stężenia, drugie prawo Ficka przyjmuje postać:

W przypadku, gdy stężenie φ nie zmienia się w czasie, wartość po lewej stronie powyższego równania przyjmuje 0. W przypadku jednowymiarowym przy stałym D, rozwiązanie będzie liniowa zmiana stężenia wzdłuż odległości x. W przypadku przestrzeni dwu- lub więcej wymiarowej prawo Ficka przybierze postać:

a zatem jest to równanie różniczkowe Laplace'a. Rozwiązaniem tego równania są zawsze funkcje harmoniczne.

Zastosowanie

Równania bazujące na prawach Ficka są szeroko stosowane w modelowaniu procesów dyfuzji, np. tkankach, neuronach, biopolimerach, farmakologii, w domieszkowaniu półprzewodników, itd. Duża liczba eksperymentów (szczególnie przy modelowaniu polimerów) dowodzi, że trzeba uwzględnić dodatkowe zjawiska, jak np. zeszklenie.

Prawa Ficka są też stosowane w modelach transportu masy Onsagera.

Zależność temperaturowa od współczynnika proporcjonalności dyfuzji

Współczynnik proporcjonalności dyfuzji D często można przybliżyć:

gdzie:

D jest współczynnikiem proporcjonalności dyfuzji w jednostkach [długość2 x czas-1], np.

D0jest maksymalnym współczynnikiem proporcjonalności dyfuzji (w nieskończenie wysokiej temperaturze)

EA jest energią aktywacji dla dyfuzji w jednostce [ energia (ilość)-1]

T jest temperaturą (w skali Kelvina lub Rankine'a)

R jest stałą gazową w jednostkach [[[energia]] x temperatura-1 (ilość substancji)-1]

Równanie to nosi nazwę równania Arrheniusa

Współczynnik proporcjonalności dyfuzji D jest w przybliżeniu 10,000 razy większy w powietrzu niż w wodzie. Na przykład dwutlenek węgla (CO2) posiada współczynnik proporcjonalności dyfuzji D równy 16 mm²/s w powietrzu, w wodzie natomiast 0.0016 mm²/s[2].

5. Dyfuzja własna (samodyfuzja) – proces polegający na dyfuzji atomów danego pierwiastka w materiale zbudowanym z tego samego pierwiastka. Dyfuzja własna jest podstawowym procesem dyfuzyjnym odbywającym się w ciałach stałych.

Badanie tego procesu odbywa się poprzez wprowadzenie do przygotowanej próbki pierwiastka A innego izotopu A* (stabilnego lub promieniotwórczego). Atomy A* odgrywają rolę wskaźników dyfuzji. Wskaźnik jest identyczny chemicznie względem atomów pierwiastka A, różni się tylko masą (spowodowane to jest inną liczbą neutronów w izotopie). Entalpia aktywacji ΔH / energia aktywacji Q i współczynnik korelacji bardzo słabo zależą od masy, dlatego na ich podstawie można wnioskować o dominującym mechanizmie dyfuzji w danym ciele. Współczynnik dyfuzji wskaźnika oznacza się jako D* i można zapisać dla niego poniższą relację Arrheniusa:

lub

gdzie:

D0 - przedeksponencjalny współczynnik dyfuzji [m2/s]

ΔH / Q - entalpia aktywacji / energia aktywacji dyfuzji [J]

kB - stała Boltzmanna [J/K]

T - temperatura bezwzględna [K]

Obecnie uważa się, że dyfuzja własna we wszystkich metalach odbywa się mechanizmem wakancyjnym. To twierdzenie poparte jest licznymi dowodami doświadczalnymi:

Zależność temperaturowa od współczynnika dyfuzji własnej

Zależność temperaturowa od współczynnika dyfuzji własnej, matematycznie niczym się nie różni od ogólnej relacji Arrheniusa dla procesów dyfuzyjnych wyznaczonych przez Ficka (1829-1901). Wyraża się ona poniższym wzorem:

gdzie:

D0 - przedeksponencjalny współczynnik dyfuzji [m2/s]

Q - energia aktywacji dyfuzji [J]

kB - stała Boltzmanna [J/K]

T - temperatura bezwzględna [K]

W przypadku dyfuzji własnej atomy dyfundujące niczym się nie różnią od atomów sieci krystalicznej rozpuszczalnika. Dlatego rozbudowaną wersję zależności temperaturowej współczynnika dyfuzji własnej można przedstawić jako:

gdzie:

f - współczynnik korelacji

g - czynnik geometryczny (zależy od typu struktury)

a - parametr sieci [m]

ν0 - częstotliwość prób przeskoku atomu (częstotliwość Debye'a) [1/s]

SM - entropia migracji atomów [J/K]

SF - entropia tworzenia się wakancji [J/K]

kB - stała Boltzmanna [J/K]

HM - entalpia migracji atomów [J]

HF - entalpia migracji wakancji [J][1].

7.Efekt Kirkendalla - Powszechnie uważano, że współczynnik dyfuzji D stopu będzie wypadkową współczynników dyfuzji D poszczególnych jego składników. Ernest Kirkendall i jego asystentka wykonali doświadczenie polegające na zbadaniu wzajemnej dyfuzji atomów miedzi i cynku. Do tego celu przygotowany został prostokątny pręt mosiężny owinięty cienkim molibdenowym drutem, na który została elektrolitycznie nałożona warstwa miedzi. Drut molibdenowy pełnił rolę wskaźnika zmian, gdyż nie tworzył on z miedzią oraz cynkiem roztworów stałych. Przygotowaną parę dyfuzyjną poddano zabiegowi wyżarzania w wysokiej temperaturze. Stwierdzono i określono wielkość przesunięcia molibdenowych wskaźników. Odległość między płaszczyznami, na których znajdowały się wskaźniki były mniejsze, niż przed wygrzaniem próbki. Efekt Kirkendalla można było wyjaśnić tylko stawiając tezę o różnicy współczynników dyfuzji poszczególnych pierwiastków. Stwierdzono, że strumień atomów JZn cynku z mosiądzu do miedzi był większy, niż strumień atomów JCu miedzi dyfundujących do mosiądzu.

Następstwa efektu


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
ostry brzuch dw
GIiZK DW PracaKlauzu6
GIiZK DW PracaKlauzu1 id 190974 Nieznany
1592425840 Candy CMG 2393 DW, CMC 2394 DS
GIiZK DW PracaKlauzu7
Lab1 Sprawozdanie DW
windsurfing dw, Żeglarz jachtowy
fcs lab DW
Budrewicz Szturo dw
MICKIE, 19. Si˙a i s˙abo˙˙ bohatera romantycznego na podstawie dw˙ch wybranych utwor˙w A. Mickiewicz
DW Navigator only for web id 14 Nieznany
tablice DW i serii
Tablica do testu DW, Wojskowa Akademia Techniczna - Zarządzanie i Marketing, Licencjat, II Rok, Seme
pożary, DW=Wt-Wu=(k+f)r
EN Tranzystory jako elementy dw Nieznany
GIiZK DW PracaKlauzu2 id 190975 Nieznany
Elementy nieliniowe, POP, 4.2. Wyznaczamy przebieg rezystancji statycznej i dynamicznej badanych dw˙
ajdukiewicz, DW, filozofia
Drgania uk?u o dw ch stop

więcej podobnych podstron