Лабораторная работа: Вивчення процесів дифузії при спіканні кристалічних тіл

Формула (4) надає коефіцієнту наочний фізичний зміст. Якщо х - середній зсув атомів, що дифундують, що відповідає середній глибині проникнення, то коефіцієнт приблизно може бути виражений через квадрат середнього зсуву;

=2Dt; D= (5)

У багатьох випадках для рішення параболічного диференціального рівняння часток похідних простіше користуватися графічним методом (метод Матано).

2. Методи дослідження.

Для дослідження процесів дифузії застосовують металографічні, хімічні й фізичні способи. Останнім часом все більше місце займають методи із застосуванням радіоактивних ізотопів (особливо при дослідженні самодифузій).

Тамман увів поняття ввів поняття температури початку помітної дифузії. Температурна залежність швидкості дифузії має експонентний вигляд, що

дозволяє чітко розмежовувати температурні області, так що температура початку дифузії має відомий сенс, і дуже виправдало себе практично. По Тамману:

Тн. _буд. = (0,3 - 04) T_пл.. - для металів;

Тн. буд. + 0,6Тпл. -для оксидів;

Тн. _буд. = (0,8 - 0,9) Т_пл. - для органічних вуглецевих з'єднаний.

2.1. Металографічні й хімічні методи часто засновані на використанні двох циліндричних посудин, що перебувають у тісному контакті. При досить високих температурах відбувається міграція атомів по напрямку від циліндрів. Зміна концентрації уздовж шляхи дифузії можна здійснити, зокрема, хімічним аналізом тонких пластинок, отриманих шляхом зрізу на стінці (мал. 2).

Глибина проникнення , х

Рис.2. Діаграма з = f(x) для розрахунку процесу дифузії

Процеси дифузії можна вивчати, визначаючи загальну кількість атомів, що дифундують через відомий контрольний перетин. Якщо привести в контакт дві пластинки, які після досвіду можна відокремити друг від друга по місцю контакту, то після ці пластинки будуть мати в загальному випадку іншу масу в порівнянні з вихідними пластинками (метод особливо придатний для оксидів, тому що в металів після дифузії відокремити пластинки друг від друга взагалі не вдається).

2.2. Фізичні методи. Один з найважливіших - випробування на мікротвердість. Принцип методу полягає в тому, що після минулої дифузії роблять відбитки, наприклад, алмазною пірамідкою на різному видаленні від вихідної граничної поверхні. Тому що твердість змішаних кристалів звичайно вище, ніж у чистих компонентів, одержують закономірну зміну мікротвердості залежно від концентрації (мал. 3).

А Напрямок дифузії В

100% Глибина проникнення А в У 100%

Рис. З. Визначення глибини дифузійного проникнення за допомогою виміру мікротвердості.

Наступний метод складається у вимірі електропровідності. У цьому випадку досвід з дифузією доцільно проводити на дротах, у яких радіально дифундує другий компонент. Потім по каліброваній кривій одержують зв'язок між провідністю й концентрацією.

2.3. Метод радіоактивних ізотопів має свої особливості для вивчення реальних систем. Для визначення коефіцієнта самодифузії використають циліндричні зразки, один із яких позначений радіоактивним ізотопом. Після закінчення досвіди виготовляють тонкі пластини й вимірюють їхню радіоактивність.

Також можна використати авторадіографічний метод, що складається в тім, що радіоактивний компонент, перебуваючи в контакті з фотоплівкою, викликає почорніння емульсії, по якому можна судити про глибину проникнення.

Контрольні питання

1. Що таке дифузія і які її причини?

2. Що таке самодифузія?

3. У чому особливості поверхневої дифузії?

4. Перший закон Фіка:

а) чому "-" D?

б) від чого залежить коефіцієнт дифузії (за інших рівних умов)?