Difuzia în solide

DIFUZIA ȘI AUTODIFUZIA ÎN SISTEMELE METALICE

Difuzia reprezintă migrarea pe distanțe foarte mari a atomilor în masa materialelor metalice. Când migrarea atomilor are loc în masa metalelor (elemente chimice) se numește autodifuzie. Fenomenul de difuzie se produce în toate stările de agregare a materialelor metalice: gazoasă, lichidă și solidă. În stare solidă, difuzia poate fi la suprafață, în volum și pe limitele grăunților cristalini.

Rezultatul difuziei este un transport macroscopic de masă (flux de atomi) dat de suma deplasărilor aleatoare și în zig-zag a atomilor.

Fenomenul de difuzie sta la baza majorității proceselor de transformări fizice, chimice și structurale ce au loc în materialele metalice: vaporizare-condensare, topire-solidificare, sinterizare, tratamente termice de recoacere, revenire și îmbătrânire, tratamente termochimice, tratamente termomecanice, impurificarea semiconductorilor.

Când difuzia are loc în aliajele metalice în prezența unui gradient de concentrație, consecința difuziei este modificarea concentrației componentelor în diverse zone. Difuzia directă sau spontană are loc atunci când atomii unui component migrează din zonele bogate în cele sărace.

Este posibil ca atomii din aliaje să migreze și din zonele sărace în cele bogate, când difuzia se numește difuzie inversă (de exemplu, la precipitarea din soluțiile solide suprasaturate).

În aliajele metalice difuzia poate produce, sau nu, faze noi.

MECANISME DE DIFUZIE ȘI AUTODIFUZIE ÎN VOLUM

Fluxul macroscopic de masă realizat prin salturi ale atomilor dintr-o poziție în alta vecină, este cauzat de agitația termică a atomilor în prezența unor fluctuații mari de energie de vibrație a acestora.

Pentru soluțiile solide de substituție și metale pure, unde atomii ocupă poziții în nodurile rețelei cristaline, se pot imagina patru mecanisme de difuzie și autodifuzie, figura 1.1. a, b, c și d.

Fig. 1.1. Mecanisme de difuzie în soluții solide de substituție și metale:

a) schimbarea reciprocă de locuri; b) prin internoduri; c) prin permutări ciclice;

d) prin vacanțe

a) prin schimbarea reciprocă a poziției a doi atomi vecini din rețea ;

b) prin internoduri, când un atom aflat într-un interstițiu dislocă atomul vecin aflat într-un nod ;

c) prin permutări ciclice a mai multor atomi ce se deplasează prin rotație luându-și locul unul altuia pe un anumit circuit;

d) prin vacanțe, când un atom situat într-un nod se deplasează într-o vacanță vecină, lăsând în locul lui o nouă vacanță, ce este ocupată de un alt atom și așa mai departe.

Mecanismele de difuzie și autodifuzie imaginate a, b și c sunt puțin probabile să se producă, deoarece necesită un consum mare de lucru mecanic pentru deformarea elastică a rețelei cristaline din jurul atomilor ce se deplasează. Mecanismul de difuzie prin vacanțe (d), este cel mai probabil, deoarece are loc cu cel mai mic consum energetic.

Transportul difuziv de masă prin vacanțe se realizează cu ușurință printr-o deplasare continuă a vacanțelor în interiorul materialelor metalice (știindu-se că într-un atomgram de corp cristalin densitatea vacanțelor este foarte mare, de ordinul a 1018 vacanțe). În soluțiile solide de interstiție unde atomii difuzanți cu diametrul mai mic ocupă interstițiile rețelei, difuzia se realizează prin deplasarea atomilor de dizolvat dintr-un interstițiu în altul vecin, figura 1.2.

Poziția 2 de trecere a unui atom difuzant dintr-un interstițiu în altul, printre doi atomi vecini, este caracterizată printr-o energie internă maximă a rețelei și se numește punct anticlinal, care este o barieră de energie, figura 1.3.