Повышение диффузионной подвижности атомов

Тепловые колебания атомов являются основой не только процессов изме­нения геометрических размеров деталей. Они лежат в основе диффузии самопроизвольного скачкообразного перемещения атомов в кристаллической решетке твердого тела на расстояния, не превышающие средние межатом­ные. После каждого из таких "скачков" диффундирующий атом попадает в новое равновесное положение. Наиболее вероятным механизмом перемеще­ния атомов, особенно при повышенных температурах, является диффузия по вакансиям - атом переходит на свободное место, создавая на прежнем месте новую вакансию.

Однако в результате громадного числа "скачков" суммарное перемещение атомов можно рассматривать как макроскопическую величину. Так, при це­ментации (насыщении поверхности стали углеродом) атомы С проникают на глубину до h = 1... 1,2 мм, что в 4 10^-6 раз больше периода кристаллической решетки железа.

Численные значения h (пройденного атомами расстояния) можно опреде­лить по формуле:

h=k

где к - экспериментальный коэффициент, - время диффузии.

Коэффициент диффузии D является функцией температуры тела Т, К:

где Do - экспериментально найденный коэффициент (предэкспоненциальный множитель),

R = 8,31441– газовая постоянная.

Физический смысл энергии активации Е_акт (см, п. 2.2.1) в данном случае - это энергия, которую необходимо затратить для того, чтобы "раздвинуть" атомы кристаллической решетки в районе вакансии (см. рис. 2.5) и дать воз­можность диффундирующему атому перейти на новое место.

Анализ приведенной формулы показывает, что с увеличением температу­ры тела диффузионные процессы резко активируются. Поэтому нагрев дета­ли является основным средством воздействия на материал в том случае, ко­гда требуется изменение его кристаллического строения с целью получения заданных свойств материала: закалке, отпуске, отжиге и др. операциях тер­мообработки (см. ниже).