Контрольная работа по дисциплине: «Диффузионные процессы» Тема: изучить активирующие параметры процесса диффузии

Выполнил: студент группы б 2 мнст 21 заочного отделения МСФ Максимов Владимир Дмитриевич

Активирующие параметры К числу факторов, активирующих диффузионные процессы при сварке, обычно относят повышение температуры и сварочного давления и их циклическое изменение, воздействие радиоактивного облучения, напряжения постоянного тока и предварительного наклепа поверхностей и скорость нагружения сварочного давления. Обращает на себя внимание противоречивость оценки эффективности воздействия некоторых из указанных факторов в условиях ДС: Лозинский М.Г. при повышении давления сжатия наблюдал уменьшение ширины диффузионной зоны в соединениях углеродистой стали с техническим железом. В ряде последующих работ получены прямо противоположные результаты. Указывается, что предварительный наклеп поверхности деталей облегчает развитие стадии объемного взаимодействия при сварке, но опыты по ДС как предварительно наклепанной меди, так и стали показали существенное снижение механической прочности соединения.

Исследование процесса диффузии Поэтому для обоснованных практических рекомендаций необходимо проведение дополнительных систематических исследований в этой области. Если по технологическим условиям сварки длительность третьей стадии процесса ограничена, то ее в определенной степени может компенсировать последующая термическая обработка соединения. Так как сварочное давление (пластическая деформация) инициирует выход дефектов кристаллической решетки в контактную зону, то отсутствие такового замедляет развитие стадий объемного взаимодействия. Экспериментально показано, что для титана это изменение в скорости миграции границы зерен не столь велико, в соединениях меди для устранения границы раздела высокотемпературная вакуумная обработка производилась десятки часов. Такая длительная термическая обработка может быть неприемлемой для соединений взаимно растворимых материалов: в материале, диффузионный поток атомов из которого превышает встречный, появляются избыточные вакансии или наблюдается смещение границы раздела (эффект Киркендалла), образующие поры в контактной зоне (эффект Френкеля). В соединениях меди с никелем со стороны меди обнаружена пористость в контактной зоне после нескольких часов выдержки при 950°С.

Энергия активации энергетический барьер, который необходимо преодолеть реагирующим атомам для осуществления хим. реакции. В частном случае радиогенных газов Э. а. (Е) определяет возможность перемещения газов по кристаллической решетке. Количество газа, остающееся в мыле N(t) при нагреве за время t при температуре Т,время определяется зависимостью: где N 0 первоначальное количество газа, К постоянная Больцмана, Счастотная постоянная м-ла ( сек -1 ). Положение радиогенных газов в м-лак определяется 2 или несколькими средними значениями Э. а. Типичные значения Э. а. выделения радиогенного аргона для биотитов ккал/г·атом, для мусковитов ккал/г·атом; для сильно нарушенных радиоактивных м-лов значения Э. а. выделения радиогенного гелия не превышают ккал/г·атом. Син.

Активация поверхностей, образование химических связей Активация приводит к разрыву насыщенных связей атомов на контактной поверхности (например, связей с моноатомным слоем хемосорбированного кислорода), после чего становятся возможны процессы взаимодействия между ними. Вероятность такого взаимодействия определяется взаимным расположением активированных атомов или их комплексов на соединяемых поверхностях. Таким образом, вторую стадию процесса соединения можно представить протекающей в два этапа активация поверхностей и последующее образование между ними металлических (химических в общем случае) связей. На этапе активации поверхностей характерно комплексное воздействие основных активирующих факторов давления и температуры. Действие нормальных и касательных напряжений, возникающих при приложении внешней нагрузки, приводит к активной пластичной деформации и ползучести приповерхностных слоёв соединяемых материалов. Эти процессы приводят к генерированию дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий), перемещению и выходу их на поверхность. Освобождающаяся при этом энергия обусловливает при этом появление активных центров потенциальных очагов межатомного взаимодействия, при температурном воздействии плотность и скорость перемещения вакансий и дислокаций в поле действующих напряжений возрастают. Экспериментальные исследования показали, что активация и химическое воздействие поверхностей происходит дискретно, и это связанно с неоднородностью высокотемпературной пластической деформации поликристаллических материалов. Активные центры и общие связи возникают как в зоне деформации микро выступов обработки, так и по границам зёрен (при межзёренном скольжении) и на ступеньках полос скольжения (при межзёренном скольжении). Развитие этих процессов приводит к активации и заполнению связями всей площади контактирования поверхностей. При анализе принципиальной возможности образования соединения наличие активных центров, какова бы ни была их природа, само по себе еще не свидетельствует об обязательности образования соединения. Активные центры служат лишь кинетическим средством достижения термодинамически вероятного состояния образования соединения.

Механизм активации путём пластического деформирования приповерхностных слоёв атомов Механизм активации путём пластического деформирования приповерхностных слоёв атомов не является единственно возможным при всех методах сварки давлением. Поскольку активный центр это, в пределе, атом, имеющий свободные связи, то любое воздействие, приводящее к разрыву связей поверхностных атомов (с комплексами хемосорбции) приводит к активации поверхности. В.А. Патрашев при ДС стали с графитом наблюдал схватывание в условиях, исключающих возможность пластической деформации металла. Предполагается, что в этом случае активные центры на стали образуются в процессе прямого восстановления углеродом окислов железа при контактировании поверхностей в вакууме. Различные виды облучения поверхности твёрдого тела (нейтронами, -частицами, -лучами, электронами) приводят к образованию парных дефектов, петель, дислокаций и других искажений кристаллической решётки. Повышенная концентрация дефектов вызывает увеличение параметров диффузии веществ в условии ДС. Поэтому облучение поверхности активирует взаимодействие материалов при соединении их в твёрдом состоянии, хотя вывести количественные закономерности не представляется возможным. С образованием активных центров подавляющая часть всех химических связей со стороны обеих поверхностей претерпевает обрывы с новым восстановлением связи между ними, т.е. происходит трансляция связей между соединяемыми металлами. Когда тип и параметры решёток соединяемых металлов не идентичны, увеличение кристаллографического несоответствия (угла разориентировки, разницы в параметрах решётки) приводит к увеличению энергии активации, необходимой для образования прочной связи. Для практического применения это означает, что чем больше различают поверхности контактирующих металлов по типу и параметрам решётки, тем больше термомеханическое активирование требуется для образования прочного соединения между ними. С технологической точки зрения это означает, что чем выше твёрдость (ниже пластичность) одного из соединяемых материалов, тем интенсивнее должно быть напряжённое состояние в контакте или гомологическая температура (Тсв/Тпл) процесса (при условии, что для мягкого металла она всё же останется меньше единицы). Это положение иллюстрирует приведённые на рисунке зависимости прочных сварных соединений меди в различных сочетаниях как функции от сварочного давления и температуры процесса.

Зависимость коэффициента диффузии от температуры Чтобы установить зависимость коэффициента диффузии D от температуры, можно использовать уравнение для частоты прыжков атома f = Zν exp(Q/kT). Тогда с учетом того, чтоD = fδ2/6 выражение для коэффициента диффузии примет вид: D = (Z/6) νδ2 exp(Q/kT). (8.14)-1 Обозначая νδ2 через D0 и принимая Z 6 (что справедливо для кубических кристаллов), получим формулу, описывающую температурную зависимость коэффициента диффузии, D = D0 exp(Q/kT ), (8.15)-2 где Q энергия активации, а D0 предэкспоненциальный множитель, часто называемый частотным фактором. Обсудим некоторые особенности этого уравнения. Во-первых, из него следует, что коэффициент диффузии D экспоненциально зависит от температуры, если преобладает один механизм диффузии. Многочисленными экспериментами установлено, что такая температурная зависимость имеет место для большинства твердых тел. Кроме того, из уравнения (8.15) следует, что энергию активации можно определить графически или аналитически по найденным из эксперимента значениям D для нескольких температур. Необходимым условием корректности использования формулы (8.15) является независимость значений D0 и Q

Основные параметры диффузии от температуры в исследуемом интервале температур. Если зависимость ln D = f(1/T ) оказывается линейной (рис. 8.4, кривая 1), то требуемое условие выполняется. Определив тангенс угла наклона прямой, можно найти энергию активации диффузионного процесса. Если точки ложатся на ломанную линию (рис. 8.4, кривая 2), то это означает, что по каким-либо причинам механизмы диффузии различны в разных температурных интервалак и для каждого из них должно быть найдено свое значение энергии активации. Точки могут ложиться и на кривую линию (рис. 8.4, кривая 3). Это, как правило, соответствует случаю наложения нескольких механизмов диффузии, роль каждого из которых существенно зависит от температуры. Такой случай требует специального анализа, а найденные для отдельных участков значения Q представляют собой эффективные энергии активации.

Основные параметры диффузии Во-вторых, из уравнения (8.15) вытекает, что величина D0 связана с частотой атомных скачков (или с частотой колебаний решетки ν 1013 Гц) и величиной скачка атома примеси. Кроме того, из уравнения (8.15) следует, что в области температур, где диффузия идет с заметной скоростью, коэффициент D0 должен быть постоянным, не зависеть от температуры и по порядку величины составлять от 104 см 2/с до 103 см 2/с. В ряде случаев эксперимент дает близкие значения D0, но чаще они отличаются от расчетных на несколько порядков. Причины этого несоответствия до конца не ясны до сих пор, однако существует ряд предположений, с помощью которых делались попытки объяснить это расхождение [41]. Например, предполагалось, что на величине D0 может сказаться изменение механизма диффузии в том или ином температурном интервале и соответственно изменение величины Q, то есть появление температурной зависимости Q. Кроме того, существует предположение, что величина D0 может изменяться с изменением энергии образования вакансий. С повышением температуры уменьшается энергия образования вакансий за счет увеличения расстояния между атомами. В результате Q может убывать с ростом температуры в первом приближении по закону, близкому к линейному: Q = Q0 γT, где Q0 энергия активации, экстраполированная к нулю абсолютной температуры, а γ численный коэффициент, связанный с ангармоничностью колебаний атомов твердого тела, которая в свою очередь зависит от их массы.

Литература Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва 2002

заключение К числу факторов, активирующих диффузионные процессы при сварке, обычно относят повышение температуры и сварочного давления и их циклическое изменение, воздействие радиоактивного облучения, напряжения постоянного тока и предварительного наклепа поверхностей и скорость нагружения сварочного давления.