Sự khuyếch tán vật liệu ở giữa hai lớp vật liệu trong vật liệu hai thành phần

Bài viết của Tiến sĩ Dmitri Kopeliovich

Hầu hết các quá trình trong kim loại và hợp kim được tiến hành bằng phương pháp khuếch tán và tự khuếch tán.

Khuếch tán trong hợp kim là một quá trình chuyển các nguyên tử của các thành phần hợp kim khác nhau, dẫn đến thay đổi thành phần hóa học của một số vùng hợp kim.

Tự khuếch tán là một quá trình chuyển các nguyên tử của một yếu tố nào đó giữa chúng.

Cơ chế khuếch tán được xác định bởi hàng rào năng lượng mà một nguyên tử phải vượt qua để thay đổi vị trí của nó. Một số cơ chế khuếch tán (tự khuếch tán) được trình bày trong hình.

Các nguyên tử kim loại khuếch tán chủ yếu theo cơ chế khuyết và các nguyên tố có kích thước nguyên tử nhỏ (H, N, C) khuếch tán theo cơ chế xen kẽ .

Bên cạnh sự khuếch tán trong tinh thể, sự khuếch tán ranh giới hạt (bề mặt) có thể xảy ra. Do các vùng ranh giới hạt được bão hòa với các khiếm khuyết mạng tinh thể , rào cản năng lượng (năng lượng kích hoạt) ở đây tương đối thấp, do đó tốc độ khuếch tán dọc theo các vùng này cao hơn nhiều so với tốc độ khuếch tán âm lượng.

Các luật cổ điển, mô tả quá trình khuếch tán, là định luật Fick:

• Định luật đầu tiên của Fick
• Định luật thứ hai

Luật đầu tiên của Fick

Định luật First Fick được sử dụng để khuếch tán ở trạng thái ổn định (nồng độ của phần tử khuếch tán không thay đổi theo thời gian).

Định luật đầu tiên của Fick quy định:

J = - D (∂C / ∂x)

Trong đó:

J - thông lượng khuếch tán (lượng vật liệu đi qua một mặt phẳng có diện tích đơn vị vuông góc với hướng khuếch tán cho đơn vị thời gian), mol / (diện tích * thời gian);

D - hệ số khuếch tán hoặc độ khuếch tán của vật liệu, (diện tích / lần);

C / x - nồng độ theo hướng khuếch tán, mol / (thể tích * chiều dài).

Định luật thứ hai

Định luật Fick thứ hai được sử dụng cho quá trình khuếch tán thoáng qua (không phải trạng thái ổn định).

Luật thứ hai của Fick quy định:

∂C / ∂t = D (∂ 2 C / ∂x 2 )

Trong đó:

C / x - nồng độ theo hướng khuếch tán, mol / (thể tích * chiều dài);

D - hệ số khuếch tán hoặc độ khuếch tán của vật liệu, (diện tích / lần);

C - nồng độ của vật liệu khuếch tán, (mol / thể tích)

Hệ số khuếch tán không phải là hằng số. Nó tùy thuộc cấu trúc tinh thể, nhiệt độ và nồng độ vật liệu.


Hàm nhiệt độ được biểu thị bằng phương trình sau:

D = D 0 e -Q / RT

Trong đó:

D - hệ số khuếch tán, (diện tích / lần);

D 0 - hệ số khuếch tán tối đa, (diện tích / lần);

Năng lượng Q -  để khuếch tán, (năng lượng / mol);

T - nhiệt độ tuyệt đối, Kelvin;

R - hằng số khí, (năng lượng / (nhiệt độ * mol)).