Файл: Гегузин, Я. Е. Очерки о диффузии в кристаллах.pdf

хания уса прекратится, как прекращалось и разбухание

нитки после заполнения ©одой всех капилляров в ее объеме.

Диффузионное разбухание металлического уса наблю­ далось ©о многих опытах, в частности в опытах с усами

меди, диаметр которых 5 микрон. Медные усики помеща­

лись в ампулу с порошком латуни — сплава цинка и

меди. При высокой температуре цинк испарялся из латун­

ных порошинок и поглощался медными усиками. После

длительного отжига, когда процесс поглощения цинка

медными усами завершался, и в усиках и в порошинках

была одинаковая концентрация цинка — около 40%. Оценим две характеристики процесса диффузионного

разбухания усика: время т, необходимое, чтобы диффузи­ онное разбухание завершилось, и относительное изменение

диаметра усика к моменту завершения процесса.

Вначале о времени т. Его можно оценить с помощью

формулы, с которой мы встречались неоднократно:

т~ 3?jD .

Внашем случае под величиной х следует понимать радиус

Эта оценка очень близка к экспериментально найденному времени разбухания.

Относительное изменение диаметра уса оценить тоже несложно. Поглощение усом цинка практически не приво­

дит к изменению его длины, а лишь увеличивает его диа­

метр. Длина, разумеется, не остается неизменной, однако

объем уса изменяется главным образом вследствие изме­

нения его диаметра. Если в приближенном расчете счи­ тать, что удельные веса меди в цинке практически одина­

ковы, то 40% поглощенного цинка должно обусловить 4 0 % - н о е увеличение площади сечения нити или (при не­ изменной длине) 40 %-ное увеличение ее объема. Это озна­

136

САМОДИФФУЗИЯ В РАСТВОРАХ

О двух попутных

и одном встречном потоках

Обсуждая закономерности взаимной диффузии, мы уже

встречались с двумя попутными и одним встречным по­

токами: потоки атомов сорта В и вакансий в кристалл А,

а атомов сорта А — в кристалл В. В этом процессе атомы сорта А ж В, разделенные в пространстве, диффузионно

перемешиваются, происходит становление однородного

сплава АВ.

Ситуация «два попутных и один встречный» может, однако, осуществиться и в другом варианте. Попутными могут оказаться оба потока атомов, а встречным — вакан-

сионный поток. Такое направление потоков приводит к

эффекту с непростым названием — «диффузионная сег­

регация». Название действительно не простое, а о суще­ стве эффекта можно рассказать просто, «на пальцах».

Если в однородном растворе атомов сорта А и В, где атомы расположены хаотически, искусственно вызвать и

поддерживать направленный поток вакансий, то навстре­

чу ему будут перемещаться атомы обоих сортов (рис. 54). Эти два попутных потока будут различными по мощ­ ности хотя бы потому, что им нет причин быть одинако­ выми. Последняя фраза — не попытка уйти от необходи­ мостиобъяснить отличия потоков атомов разных сортов, в ней по существу содержится объяснение. Атомы сорта А и В перемещаются независимо, и поэтому весьма мало­ вероятно, чтобы их перемещения в сплаве характеризова­ лись одним и тем же значением коэффициента диффузии.

Для двух величин есть всего один способ совпасть — быть

мов сорта А более мощный, чем поток атомов сорта В.

Поэтому области, где расположены источники вакансий, будут обогащаться атомами сорта А, и, следовательно,

138

Рис. 54. Навстречу потокам атомов сорта А ( • ) и сор-

области вблизи стоков вакансий будут атомами этого сор­

та обедняться, или, что то же, обогащаться атомами сорта В. Сегрегацией и называется процесс обогащения какой-либо области в растворе атомами одного сорта.

Рассказанное, естественно, должно вызывать множество

вопросов: до каких пор будет происходить изменение кон­ центрации атомов сорта А и сорта В в областях, где воз­ никают и исчезают вакансии? Что произойдет с областя­

ми, обогащенными атомами сорта А и В, после того, как

направленный поток вакансий исчезнет? Как в однород­

эффект диффузионной сегрегации в действительности на­

блюдается?

Вначале о первом вопросе. Конечно же, обогащение

области атомами одного сорта будет происходить не

беспредельно. По мере того как в некоторой области вбли­

зи источника вакансий увеличивается концентрация ато­ мов сорта А, будет нарастать сила, препятствующая при­

ходу новых атомов этого сорта в ту же область. Атомы как бы вползают на гору, увеличивая п р и этом собой ее высоту,

m

поэтому последующему атому вползти на гору тяжелее,

чем предыдущему. Так как поток атомов сорта А пропор­

ционален встречному потоку вакансий, то очевидно, что предельное обогащение области этими атомами (предель­

ная высота горы) будет увеличиваться с увеличением

потока вакансий. В этом рассуждении главными являются

соображения о существовании предельной степени обога­

щения. А что после достижения этой степени? Потоки ато­

мов сорта А и В уравняются. Не потому, что равными станут их коэффициенты диффузии, а совсем по другой

причине: уменьшится сила, которая заставляет атомы сор­ та А двигаться по направлению к области, обогащенной ими. В эту область теперь придет столько же атомов сорта А, сколько и атомов сорта В , и при этом концентрация ато­

мов сорта А в данной области не будет возрастать, высота

горы не изменится.

Теперь о втором вопросе. Если направленный поток

вакансий исчезнет, начнется обратный процесс — вырав­ нивание концентраций во всем объеме образца. Атомы сорта А начнут скатываться с горки, которая вблизи ис­

точника вакансий, а атомы сорта В — с той горки, которая вблизи вакансионного стока. Ведь исчезла причина, за­

ставлявшая вначале их ползти на эти торКи, а затем оста­ ваться на них. А скатываться с горок есть основание: при этом образуется однородный равновесный сплав.

Наконец, о способах создания направленных потоков вакансий. Есть много таких способов, при которых воз­

можно наблюдение диффузионной сегрегации. Во-пер­

вых, такие потоки возникают в каждом из зерен полпкристаллического образца, который при высокой темпе­

ратуре подвержен диффузионной ползучести. Вспомните

соображения о согласованных потоках вакансий, рождаю­ щихся и исчезающих на межзеренных границах, которые различным образом ориентированы по отношению к на­ правлению к действующему напряжению. В процессе диф­

фузионной ползучести поликристаллического образца од­ нородного раствора границы-источники будут обогащать­ ся атомами сорта А, а границы-стоки — атомами сорта В.

Во-вторых, направленные диффузионные потоки воз­

никают при спекании порошков. Если изучать спекание порошинок не чистых металлов,, а сплавов-растворов, можно наблюдать диффузионную сегрегацию.

140

сти пластинки убеждались, анализируя химический состав

ее «верхней» и «нижней» поверхностей. Затем пластинку изгибали так, что «верхняя» поверхность становилась вы­

пуклой, а «нижняя» — вогнутой. После недлительного отжига при высокой температуре — повторный химический анализ. Оказывается: вблизи «верхней» 'поверхности

избыток меди, а вблизи «нижней» — избыток никеля. Затем длительный высокотемпературный отжиг и в тре­ тий раз анализ. Оказывается: у «верхней» и у «нижней» поверхностей химический состав одинаковый. Опыт мож­ но повторять много раз: изогнутую пластинку распрямить и отжечь, распрямленную согнуть и отжечь и т. д. Резуль­ тат получался один и тот же: та поверхность, где при

деформации создавались растягивающие напряжения,

после отжига обогащалась медью, а где сжимающие —

никелем.

В начале опыта пластинка была ровной и однородной.

После изгиба никелю и меди целесообразно перераспреде­

литься. При длительном отжиге однородность снова вос­

станавливается, но вначале все же выгодной оказыва­

ется неоднородность в распределении компонентов сплава.

На первый взгляд результат кажется неожиданным и даже противоестественным. Ведь чего, казалось бы

действительности, как бы с точки зрения изогнутой пла­

стинки, дело обстоит не так. Целесообразным оказыва­ ется диффузионный процесс, при котором не сглажива­ ется, а, наоборот, создается разность концентраций. Это изображено на рис. 56, где точки и круги символизируют атомы разных сортов. Впечатление такое, будто шарик, лежащий у подножия горы, вдруг покатился на верши­

ну. Этот процесс создания разности концентраций в од­

нородном сплаве в литературе получил название «восхо­

дящая диффузия». Как видите, образ шарика, «восходя­

щего» на гору, не случаен. Почему же все это происхо­

дующее. Изогнув кристаллическую пластинку, мы созда­

142