Anyagismeret 2016/17. Diffúzió. Dr. Mészáros István Diffúzió

Átírás

1 Anyagismeret 6/7 Diffúzió Dr. Mészáros István Diffúzió Különféle anyagi részecskék anyagon belüli helyváltoztatása Az anyag lehet gáznemű, folyékony vagy szilárd

2 Diffúzió Diffúzió - traszportfolyamat (atom, ion, fonon, elektron, hőmennyiség...) Elektromos vezetés (Ohm) töltés áram elektr. potenciál grad. Hővezetés (Fourier) energia áram hőmérséklet különbség Kémiai reakció anyagátalakulás affinitás (kémiai potenciál különbség) Diffúzió (Fick) anyag áram kémiai potenciál különbség Diffúzió sebessége: gáz folyadék szilárd (kötőerő) Szilárdtest diffúzió koncentráció változás Koncentráció különbség: csökken (szokásos eset) növekszik (szegregáció, precipitáció, getterezés) Emelt hőmérsékletű technológiák (hőkezelés, újrakristályosítás, szinterelés, oidáció, doppolás...) Öndiffúzió (rádioaktív tracer atom, Hevesy György 943) Interdiffúzió/koncentrációs diff. (kémiai analízis, EDS) A + B A koncentráció gradiens emelt hőmérséklet atomi mozgás konc. kiegyenlítődés IRREVERZIBILIS

3 Diffúzió szilárd állapotban. Öndiffúzió saját atomok vándorlása. Hajtóerő: a szilárdtestben lévő energiakülönbségek C A D B C A B D Megfigyelése: radioaktív tracer izotópokkal. Diffúzió szilárd állapotban. Koncentrációs diffúzió különböző atomok vándorlása. Hajtóerő: az anyagban lévő koncentráció-különbség. Koncentrációs diffúzió során a koncentráció-különbség: csökken (szokásos eset) növekszik (szegregáció) 3

4 Koncentrációs diffúzió % Cu Ni % Koncentrációeloszlás Koncentrációeloszlás A diffúzió kinetikája Intersíciós mehanizmus H, C, N, B, O Vakancia (csatolt) mehanizmus saját és szubsztitúciós atomok Aktiválási energia nagyobb 4

5 Diffúziós modellek Statisztikai modell (Einstein) elemi atomi ugrások eredője R n r r r Rn t r : időegység alatti ugrások száma r: Intersíciós: üres rácspontok távolsága Szubsztitúciós: rácspontok távolsága n Termodinamikai modell (Onsager - Fick) Kémiai potenciál gradiens dm dc D Adt d J D gradc J gradu E D: diffúziós tényező Fick - I. J: tömegáram sűrűség (fluus) Fick - II. törvény J: nem mérhető Feltételezve, hogy: dd/d = dc dt d C d C d C D d dy dz dc dt d C D d Fick - II. 5

6 A diffúziós tényezőt befolyásoló tényezők D (hőmérséklet, ötvöző típusa, kristályhibák, nyomás,...) D D e E kt D hőmérsékletfüggése D E kt De D e W RT n vakancia Ne E kt Ne W RT ln D ln D E kt Termikusan aktivált folyamat Arrhenius - ábrázolás Etrém erős hőmérsékletfüggés. Hőmérsékletszabályozási problémák. 6

7 A diffúziós tényezőt befolyásoló tényezők D (hőmérséklet, ötvöző típusa, kristályhibák, nyomás,...) Saját atom < Szubsztitúciós ötvöző < Interstíciós ötvöző Vakancia mehanizmus Interstíciós mehanizmus Cu Ötvöző típusának hatása Saját atom < Szubsztitúciós ötvöző < Interstíciós ötvöző Kirkendall - kísérlet / jelenség (határfelület eltolódása) Sárgaréz Cu - Zn Mo Cu Zn + vakancia Szubsztizúciós ötvöző gyorsabban diffundál mint a saját atom. 7

8 Diffúziós üregképződés Minden szubsztitúciós atom (Zn) visz magával egy vakanciát. n i J i J Cu J Zn J Vakancia Vakancia csatolt mechanizmus vakanciaáram Üregek, üregsorok képződhetnek. Nagy D különbség esetén. (Frenkel: A semmi kikristályosodik ) A diffúziós tényezőt befolyásoló tényezők D (hőmérséklet, ötvöző típusa, kristályhibák, nyomás,...) Makrofelület > Szemcse- / Fázishatár > Diszlokáció Polikristály > Egykristály 8

9 térfogati felületi Kristályhibák hatása Mindenfajta kristály rendezetlenség gyorsítja a diffúziót. szemcsehatármenti ln D felületi szemcsehatármenti térfogati /T A diffúziós tényezőt befolyásoló tényezők D (hőmérséklet, ötvöző típusa, kristályhibák, nyomás,...) E kt Makrofelület > Szemcse- / Fázishatár > Diszlokáció D D e Polikristály > Egykristály Saját atom < Szubsztitúciós ötvöző < Interstíciós ötvöző Vakancia mehanizmus Interstíciós mehanizmus 9

10 A végtelen félteres megoldás Külső végeken nincs koncentráció változás. Gauss - féle hibaintegrál (improprius) Függvénytábla, iterráció -,7 < <,7 Durva közelítés: = C C(, t) ( ) D t Gauss-féle hibaintegrál Dt y ep y dy, y 4Dt y Az értékek táblázatokban megtalálhatók.

11 Jellegzetes problémák X X Behatolási mélység az idő függvényében (gyökös). Tipikus eset: oidréteg vastagságának növekedése. t t Behatolási mélység a hőmérséklet függvényében. Alkalmazás Tudjuk: a mintában mélységben C lesz a koncentráció t idő alatt, adott T hőmérsékleten. Kérdés: azonos idő alatt milyen hőmérsékleten jön létre ugyanekkora koncentráció mélységben? C C, t, t C C D t D t

12 Alkalmazás D e D e Q RT Q RT t D e Q RT D e ln Q RT t ln Q R T T Etrém erős hőmérséklet függés. Zn diffundál Cu-be D = 8-5 m /s Q =,59 5 J/g atom (Behatolási mélység =, mm) (Koncentráció = %) T = 6 C Idő = h T = C Idő = 8 h (kb.. év)

13 Q = 46 kj/g atom R = 8,3 J/K mol A diffúziós folyamat sebességét kétszeresére akarjuk növelni. T =,5 T (5 % növekedés!!) Spiking jelenség 45 ºC hőkezelés Gyors Si diffúzió az Al-ba Szilárd oldat Spike Rövidzár 3

14 Anyagszerkezet és diffúzió kapcsolata A diffúzió gyorsabb kisebb térkitöltésű szerkezeteknél kisebb olvadáspontú anyagnál másodlagos kötésű anyagnál kisebb diffundáló atomoknál kationoknál kisebb sűrűségű anyagnál polikristályos testben finomabb szemcséjű anyagban intersztíciós atomoknál Nagy számú rácshibát tartalmazó szerkezetben A diffúzió lassúbb legsűrűbben rakott szerkezeteknél nagyobb olvadáspontú anyagnál kovalens kötésű anyagnál nagyobb diffundáló atomoknál anionoknál nagyobb sűrűségű anyagnál egykristályban durvább szemcséjű anyagban szubsztitúciós atomoknál 7 4