научная статья по теме СВЯЗЬ ПАРАМЕТРОВ ДИФФУЗИИ С ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТЬЮ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ МЕТАЛЛОВ Химия

Текст научной статьи на тему «СВЯЗЬ ПАРАМЕТРОВ ДИФФУЗИИ С ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТЬЮ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ МЕТАЛЛОВ»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2004, том 40, № 4, с. 435-439

УДК 539.219.3

СВЯЗЬ ПАРАМЕТРОВ ДИФФУЗИИ С ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТЬЮ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ МЕТАЛЛОВ

© 2004 г. Ю. А. Шевчук

Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова, Москва Поступила в редакцию 20.05.2003 г.

На основании изотропной дебаевской модели и представления об уравнении состояния твердого тела показано, что параметры и коэффициенты диффузии аномальных и неаномальных металлов коррелируют с температурным ходом модуля сдвига.

ВВЕДЕНИЕ

деляется следующим образом:

Изучение диффузионных процессов в металлах и сплавах привлекает внимание исследователей как из-за практической важности этого явления, так и в силу необходимости более глубокого понимания теории металлов. Как известно, для температурной зависимости коэффициентов самодиффузии (Б) выполняется закон Аррениуса, причем величины предэкспоненциального множителя Б0 для большинства металлов как с ГЦК-, так и с ОЦК-решеткой имеют значения 0.05-5 см2/с, а энергии активации Q = (138.14 ± 6.28)Тпл (2 в Дж/г-ат). Однако результаты исследования самодиффузии в ряде переходных металлов, таких как Т1, Ъг и ИГ, а также в ряде актиноидов и лантаноидов показали, что для этих металлов характерны "аномально" низкие значения параметров диффузии: Б0 = (10-5-10-6) см2/с, 2 = (75.35 ± 8.37)Тпл (2 в Дж/г-ат) и высокий уровень подвижности, превосходящий аналогичную величину в нормальных металлах на 1.5-3 порядка. Более детально эти проблемы обсуждены в [1, 2]. Целью настоящей работы являлось установление корреляции между параметрами диффузии и температурным ходом модуля сдвига.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Известно, что с повышением температуры модули упругости металлов убывают, причем наиболее резкий спад наблюдается именно у аномальных в диффузионном отношении металлов [3] (рис. 1). Проанализируем более подробно, как может быть связана температурная зависимость коэффициентов самодиффузии с величинами модулей упругости.

В модели случайных блужданий [4] коэффициент диффузии по вакансионному механизму опре-

„ 2, А5/й -(Ет + Е/)/(КТ)

Б = У а /0 ve е ! ,

(1)

где у - геометрический фактор, а - параметр решетки, /0 - корреляционный фактор, V - частота колебаний атомов, - энтропия диффузии, Ет и Е/ - энергии миграции и образования вакансий соответственно.

Для описания параметров диффузии, входящих в соотношение (1), выберем изотропную дебаевскую модель твердого тела. В рамках этого приближения, согласно динамической теории Райса, Манли и Флинна, кратко обобщенной в [5], энергия миграции вакансии может быть выражена следующим образом:

Ет = СУ52.

(2)

Здесь V- атомный объем, 5 = q/s0 (я0 - расстояние до седловой точки (половина расстояния между ближайшими соседями в решетке), q - критическая амплитуда смещения (при смещении, большем или равном q, атом переходит в новое поло-

0/00 1.0:

Мо, №

Рис. 1. Зависимость приведенного модуля сдвига в металлах от приведенной температуры.

435

4*

жение равновесия)), С - средняя упругая постоянная для перемещения:

С _

15 Цр (Х + 2 Цр) 2 2 Х0 + 7 Ц0 '

(3)

между О и В:

д _ 2 1 + Ц О В _ 3Г^2ЦО'

(4)

где Ц - коэффициент Пуассона, соотношение (3) можно преобразовать к виду:

С = О/(ц).

(5)

Здесь /(ц) - функция, зависящая только от величины коэффициента Пуассона и имеющая вид

/ (Ц)

_ 15(1 - ц) 7-10 Ц '

(6)

Ет = ОУ52/(ц).

(7)

V _

(8)

0

_ лл-о _ hv 3

к

к У V )

(9)

можно выразить через величину модуля сдвига и коэффициент Пуассона [7, 8]:

^. _

(Х0 и ц0 - коэффициенты Ламэ).

Учитывая, что модуль сдвига О = Ц0, а модуль

2

всестороннего сжатия В = Х0 + - Ц0, а также связь

_ 2Ои-т.

1 V Р( 1 -2ц)

(11)

(12)

Р( 1-2 Ц) (Р - плотность материала).

Комбинируя соотношения (9)-(12) и подставляя в (8), после преобразований для дебаевской частоты получим:

^о _ еоп81ф(ц)

ОУ

М

(13)

где ф(ц) - функция, зависящая только от величины коэффициента Пуассона и имеющая вид:

Ф(Ц) _

3/12ЙЦ. 13/Г1 + 2 Г2 1 - Ц ^

1-2 Ц

1-2 Ц

' (14)

Отметим, что коэффициент Пуассона и величина /(ц) гораздо слабее меняются с температурой, чем модули упругости нормальных и аномальных металлов. Поэтому в дальнейшем температурную зависимость /(ц) учитывать не будем. Окончательно для энергии миграции вакансии получим:

Частота колебаний атома, входящая в соотношение (1), согласно выбранной нами модели, будет пропорциональна дебаевской частоте [5]:

а величина ОУ1/3 в выражении (13) играет роль силовой постоянной, М - атомная масса.

Оценим величину энергии образования вакансии Е/. Известно, что наиболее распространенным механизмом образования вакансий в металлах является механизм Шоттки, согласно которому атом уходит на внешнюю поверхность кристалла (поверхностью в кристалле могут служить также и границы зерен, субграницы, поры). Энергию образования вакансии по этому механизму можно представить в виде:

Е/ _ 2(гЕи - г'Е„) _ 2[ 1- г) IЕ

(15)

Величина ^ также может быть выражена через модуль сдвига. Действительно, температура Де-бая, согласно [6], определяется следующим выражением:

где ^ - средняя скорость распространения упругих волн в кристалле, к - константа Больцмана, Л - постоянная Планка, N - число Авогадро. Для величины у имеем:

где Еи - энергия связи атомов в решетке, г - координационное число в объеме, г' - координационное число на поверхности. Видно, что эта величина пропорциональна теплоте сублимации:

Е/= аЯсубл, (16)

где а - коэффициент пропорциональности. Величина теплоты сублимации также можно связать с модулем упругости и атомным объемом металла. Сделать это можно путем интегрирования по объему уравнения состояния твердого тела:

И,

субл

_ |р(V, Т, ...)йУ,

(17)

33_

3

п_

3 у I

3 3 + 3'

2_

3 у I

(10)

где V и V - скорости распространения продольных и поперечных волн соответственно, которые

где V0 - объем кристалла при Т = 0 К, а р(V, Т, ...) -зависимость давления от объема, температуры и др. параметров, которая и носит название уравнения состояния твердого тела. В настоящее время в литературе известны различные формы этого

V

о

V

о

уравнения, которые используются для описания свойств твердых тел [9-12]. В [9] с помощью интегрирования уравнения состояния показано, что теплота сублимации пропорциональна произведению модуля всестороннего сжатия на объем при Т = 0 К (Б0У0). Учитывая соотношение (4), окончательно можно записать:

Нсубл = аО0У0,

(18)

где величина коэффициента пропорциональности а будет зависеть от коэффициента Пуассона и параметров, входящих в уравнение состояния, и от их изменения с температурой (согласно [9], а не зависит от параметров уравнения состояния). Энергия образования вакансии, таким образом, может быть выражена через произведение О0У0, а энергия активации диффузии может быть представлена в виде:

й = + Е„

= ^а + 52 / (ц)

ОУ С У о.

во У,

оо

(19)

И теплота сублимации, и величина в0У0 в металлах пропорциональны температуре плавления, что и видно из рис. 2 и 3 [13]. Энергия активации диффузии в металлах может быть представлена в виде величины, пропорциональной температуре плавления. Однако коэффициент пропорциональности при Тпл будет зависеть от отношения вУ/(в0У0), в котором определяющей является температурная зависимость относительного модуля сдвига в/в0, так как величина У/У0 = = 1 + 3а1Т, где а1 - коэффициент линейного расширения, равный по порядку величины 10-6 К-1, а температуры, при которых исследуются диффузионные процессы, как правило, не превосходят 2 х 103 К. Окончательно выражение для коэффициента самодиффузии можно привести к виду:

1пВ = 1пВ0 -1 ах + а

Т

пл

Т'

(20)

а для предэкспоненциального фактора можно получить:

1п В0 = еоп81+11п

во УГ

К '

(21)

Таким образом, соотношение для логарифма коэффициента самодиффузии также может быть приведено к виду гомологического закона [2], однако как наклон, так и свободный член должны уменьшаться с уменьшением отношения в/в0, что и наблюдается у аномальных металлов. В [14] путем статистической обработки имеющихся в литературе данных для температурных зависимостей коэффициентов самодиффузии в неаномаль-

£субл, кДж/моль 1000 г

800 600 400 200

Ой

о

о о О о

о о1-_I_

0

1000 2000 3000 4000

Тпл, К

Рис. 2. Зависимость теплоты сублимации в металлах от температуры плавления.

С0/У0, кДж/моль

700 -

600 -

500 - о

400 о

300 _ о <5> о

200 о о о

100 _ 0 0 о 1

1000

2000

3000 тпл, к

Рис. 3. Зависимость величины О0У() в металлах от температуры плавления.

ных и аномальных металлах получены следующие выражения:

1п В = -0.21-7.39—, Т

1пВ = -2.53 -4.05 —.

Т

(22)

(искривление температурной зависимости коэффициентов самодиффузии аномальных металлов в этой работе не учитывалось). Видно, что как наклон при величине Тпл/Т, так и свободный член в соотношении для аномальных метеллов ниже, чем для нормальных. На рис. 4 показана зависимость приведенной энергии активации самодиффузии ряда переходных металлов от отношения О/О0, которая, в полном соответствии с формулой (19) носит линейный характер и описывается соотношением

б/Тпл = 41.86 + 117.21О/О0 (23)

(23)

0

б/Гпл, кДж/(моль K) 200 г

160

120

80

40

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

G/G0

Рис. 4. Зависимость приведенной энергии активации диффузии в металлах от приведенного модуля сдвига.

для нормальных металлов. Исследование диффузии циркония и титана в их сплавы с неаномальными переходными металлами показало, что действительно по мере роста содержания неаномального компонента параметры диффузии Б0 и Q увеличиваются, а уровень диффузионной подвижности понижается, стремясь к значениям, характерным для диффузии в нормальных переходных металлах. Такая же тенденция наблюдается и при взаимной диффузии между аномальными и нормальными металлами.

Отметим в заключение, что приведенная на рис. 4 зависимость величины Q/Tпл от относительного модуля сдвига подобна зависимости такой же величины от "смягченной" продольной фо-нонной моды С^^Л^д)2, приведенной в [19] и полученной на основе микроскопической теории.

0

для температур, равных "0.7^ ^ в Дж/г-ат).

Вопрос о связи энергии активации диффузии с у

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком