IMG 8 209 (2)

200

208

8. Defekty struktury krystalicznej

8,5. Dyfuzja

209

C

dwu:

obró

rys.

dooł

Wn

nacii

i

gran

ju p czyz

d) J

s

)|

y

3

y,

v

A

V

nia

lub

po;

fiz:

zw

W

gdzie y jest jednostkową energią powierzchniową błędu ułożenia [wykorzystaj równania (8.33) dotyczy dyslokacji śrubowych, co nie zmienia słuszności rozumowa, nia dla dyslokacji krawędziowych]. Stąd równowagowa szerokość błędu ułożenia

, ^Gb2

⁰ ~ Tiry'    ⁽⁸⁴⁵J

W materiałach metalicznych o gęsto wypełnionych strukturach przeciętna wartość równowagowej szerokości błędu ułożenia wynosi /„ = 30    400 nm.

Rys. 8.39. Dyslokacje Shockleya

Dyslokacje częściowe, krawędziowe, ograniczające dwustronnie błąd ułożenia (rys. 8.39) noszą nazwę dyslokacji Shockleya. Tworzą się przez dysocjację jednostkowej dyslokacji krawędziowej. Są one bardzo ruchliwe, ponieważ ich linie i wektory Burgersa leżą w płaszczyznach i kierunkach łatwego poślizgu.

B    --■■    — --—■ B

A    ---- ■ ■    A

• — —    ■■    — C

Rys. 8.40. Błąd ułożenia: a) pojedynczy - dyslokacje Franka typu S, b) podwójny — dyslokacje Franka

typu D

Brak przypadkowy płaszczyzny sieciowej zakłóca ich naturalną sekwencję, stanowiąc tzw. pojedynczy błąd ułożenia (rys. 8.40a). Obecność dodatkowej płaszczyzny również zakłócająca naturalną sekwencję stanowi tzw. podwójny błąd ułożenia (rys. 8.40b). Jeżeli defekt obejmuje tylko część przekroju kryształu (ziarna), to z obu stron ograniczony jest różnoimiennymi dyslokacjami krawędziowymi, tzw. dyslokacjami Franka, odpowiednio typu S i typu D. Dyslokacje Franka należą do osiadłych - ich poślizg jest niemożliwy, ponieważ, jak wynika z rys. 8.40, ich wektory Burgersa prostopadłe do linii dyslokacji są równocześnie prostopadle do płaszczyzn, w których są zlokalizowane. Dyslokacje Franka mogą się przemieszczać tylko przez wspinanie, tzn. ruchem aktywowanym cieplnie i kontrolowanym dyfuzją.

8.5. DYFUZJA

Dyfuzją jest aktywowany cieplnie transport atomów przez materię. Proces obserwuje się we wszystkich stanach skupienia, ale dzięki rosnącej energii wiązania jego szybkość maleje w kolejności; gaz, ciecz, ciało stałe. W dalszym ciągu będzie mowa tylko o dyfuzji w stanie stałym, które to procesy mają ścisły związek z teorią defektów struktury krystalicznej, a są podstawą licznych zjawisk zachodzących w materiałach metalicznych; krystalizacji, ujednorodnienia, rozrostu ziam oraz większości przemian fazowych w stanie stałym.

Początkowo przyjmowano, iż siłą napędową dyfuzji jest gradient stężenia. Wyniki doświadczalne dowiodły jednak obecności procesów dyfuzyjnych przebiegających bez gradientu stężenia (samodyfuzja w czystych metalach), a nawet przeciw gradientowi stężenia. Toteż obecnie przyjmuje się za siłę napędową dyfuzji gradient energii swobodnej (potencjału termodynamicznego) Gibbsa AG. Procesy dyfuzyjne są nieodwracalne i towarzyszy im wzrost entropii układu.

Teoria dyfuzji opracowana przez Ficka, przy założeniu obecności gradientu stężenia, dla ustalonych warunków przyjmuje za miarę skuteczności procesu strumień dyfuzyjny / — tzw. I prawo Ficka. Jest to ilość masy pierwiastka dyfundującego, przeniesiona w jednostce czasu przez jednostkową powierzchnię, prostopadłą do gradientu stężenia, dana zależnością:

(8.46)

dx

gdzie D jest współczynnikiem dyfuzji, dC/dx — gradientem stężenia dyfundującego pierwiastka. Znak minus w zależności (8.46) wynika z przyjęcia kierunku dyfuzji za dodatni, przebiegającej - odwrotnie do kierunku gradientu stężenia - od obszaru o większym stężeniu do obszaru o mniejszym stężeniu.

Współczynnik dyfuzji zależy od rodzaju dyfundującego pierwiastka, struktury krystalicznej materiału, w którym dyfuzja przebiega, oraz od temperatury. Zależność współczynnika dyfuzji od temperatury określa równanie Arrheniusa

D = D₀exp(-G/kT),    (8.47)

gdzie D₀ jest stałą zależną od struktury krystalicznej materiału, G - energią aktywacji atomu.

Jeżeli pierwiastek dyfundujący w głąb podłoża (metalu, roztworu stałego) rozpuszcza się w nim, to dyfuzję przebiegającą w takich warunkach nazywa się dyfuzją roztworową. Gradient stężenia pierwiastka dyfundującego zmienia się wówczas w podłożu w sposób ciągły (rys. 8.4la). Jeżeli pierwiastek dyfundujący w głąb podłoża osiągając określone stężenie tworzy z podłożem (metalem, składnikiem fazowym stopu) fazę lub fazy międzymetaliczne, to dyfuzję przebiegającą wówczas nazywa się dyfuzją reakcyjną. Gradient stężenia dyfundującego pierwiastka w razie takiej dyfuzji zmienia się skokowo (rys. 8.4 lb).