Обложка Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах
Id: 243316
619 руб.

Диффузия в металлах. Изд. 2

URSS. 2019. 248 с. ISBN 978-5-9710-5876-2.

Аннотация

В учебном пособии последовательно изложены различные способы описания процесса диффузионного перемещения атомов в металлах, методы определения соответствующих коэффициентов, физические основания и механизмы процесса. Значительное место в пособии отведено влиянию на скорость диффузии температурного и электрического полей, особенностям диффузии в многофазных системах, а также роли диффузии в процессах производства, эксплуатации и ...(Подробнее)разрушения металлов.

Учебное пособие предназначено для студентов, специализирующихся в области физики металлов, металловедения и физико-химических исследований металлургических процессов. Оно может быть также полезно студентам других материаловедческих специальностей, аспирантам, научным работникам и инженерам, работающим в металлургической, авиационной и машиностроительной промышленности.


Оглавление
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие к первому изданию............ 3
Введение..................... 5
Глава I
ОПИСАНИЕ ДИФФУЗИОННОГО ОПЫТА
1. Диффузионный поток. Первое уравнение диффузии ... 7
2. Различные типы диффузионных коэффициентов..... 9
3. Диффузия при наличии внешних движущих сил..... 11
4. Закон сохранения вещества при диффузии. Второе уравнение диффузии.................. 13
5. Решения второго уравнения диффузии........ 14
6. Экспериментальные методы определения коэффициентов диффузии........ ............ 32
7. Некоторые экспериментальные результаты....... 38
Задачи..................... 45
Список литературы................. 47
Глава II
АТОМНАЯ ТЕОРИЯ ДИФФУЗИИ
1. Диффузия и случайные блуждания.......... 47
2. Зависимость коэффициента диффузии от температуры . . 53
3. Механизмы диффузии в металлах.......... 66
4. Связь между коэффициентом самодиффузии и характеристиками вакансий................. 73
Равновесная концентрация вакансий ........ 73
Источники и стоки вакансий ........... 77
Частота скачков вакансий ............ 83
5. Методы исследования характеристик вакансий..... 86
6. Эффект Киркендалла............... 93
7. Бивакансии и другие комплексы точечных дефектов ... 99
8. Эффекты корреляции............... 104
9. Особенности диффузии в твердых растворах замещения . . ПО
10. Диффузия в твердых растворах внедрения...... 120
11. Механизм диффузии в жидких металлах....... 125
Задачи..................... 127
Список литературы................. 128
Глава III
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ДИФФУЗИИ
1. Движущая сила диффузионного переноса....... 129
2. Описание диффузии в бинарной системе по Онзагеру ... 133
3. Диффузия в упорядоченных твердых растворах..... 145
4. Термодиффузия в бинарных твердых растворах..... 147
5. Электроперенос................. 155
Задачи..................... 163
Список литературы ................. 164
Глава IV
ДИФФУЗИЯ И ДЕФЕКТЫ СТРУКТУРЫ
1. Неравновесные (избыточные) вакансии........ 166
2. Дислокации................... 169
3. Границы зерен................. 172
4. Поверхность.................. 182
Задачи..................... 191
Список литературы ................. 192
Глава V
ДИФФУЗИЯ В МНОГОФАЗНЫХ СИСТЕМАХ
1. Связь между характеристиками диффузии и диаграммами фазового равновесия............... 192
2. Связь между эффективным коэффициентом диффузии в двухфазной системе и коэффициентами диффузии в каждой из фаз..................... 196
3. Процессы диффузионного роста фаз......... 199
Задачи.....................204
Список литературы................. 205
Глава VI
РОЛЬ ДИФФУЗИИ В НЕКОТОРЫХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
1. Диффузия — контролирующая стадия гетерогенного процесса 205
2. Диффузия в некоторых металлургических процессах . . . 213
Кинетика удаления и поглощения газа жидким металлом 213
Кинетика диффузионного плавления стали..... 218
3. Диффузионные механизмы структурных изменений при повышенных температурах . . ........... 221
Миграция границ зерен............. 222
Диффузионная коагуляция........... 225
Диффузионная ползучесть............ 228
Диффузионное спекание . ........... 231
Диффузионные механизмы потери стабильности некоторых композиционных материалов......... 235
Задачи..................... 239
Список литературы................. 240
Решения задач.................. 240

Предисловие к первому изданию

Диффузия — один из важнейших процессов переноса в металлах. Теория диффузии в твердых телах основана на фундаментальных представлениях физической кинетики и неравновесной термодинамики, тесно связана с учением о дефектах в кристаллах и является поэтому важным разделом физики твердого тела.

Можно утверждать, что фразу «скорость процесса контролируется диффузией» металловеды и физико-химики повторяют чаще любых аналогичных выражений.

Знание закономерностей диффузионных процессов позволяет специалисту-материаловеду существенно повысить эффективность поиска новых материалов и оптимальных методов их обработки и, таким образом, способствует решению задач, поставленных перед советскими учеными XXV съездом КПСС.

По этим причинам в учебниках и монографиях по физическому металловедению и физической химии все чаще появляются разделы, в которых обсуждаются проблемы диффузии. В качестве примера можно назвать учебник А. А. Жуховицкого и Л. А. Шварцмана «Физическая химия», «Физическое металловедение» (т. III), под редакцией Р. Кана, книгу С. 3. Бокштейна «Строение и свойства металлических сплавов». Кроме того, за последнее десятилетие появился целый ряд монографий, написанных специалистами по диффузии, в которых трактуются отдельные стороны явления, а иногда дается общая картина состояния вопроса, как например в обширной книге И. Адда и Ж. Филибера «Диффузия в твердых телах», изданной на французском языке.

Однако, как эта ни странно, учебника по диффузии не существует ни в отечественной, ни в зарубежной литературе. Полезным введением в предмет могут служить популярные «Очерки о диффузии в кристаллах» Я. Е. Гегузина. Требованиям, предъявляемым к учебной литературе, по-видимому, в наибольшей степени соответствует книга П. Шьюмона «Диффузия в твердых телах».

В основу предлагаемой читателю книги положен курс лекций, который автор на протяжении ряда лет. читает студентам физико-химического факультета Московского института стали и сплавов. Этим определяется специфика курса, трактующего проблемы диффузии в металлах и притом в твердых металлах.

Автор старался уделить наибольшее внимание систематическому изложению основ теории, поэтому в книге последовательно рассмотрены различные способы описания процесса диффузионного перемещения атомов в металлах, методы определения соответствующих коэффициентов, механизмы процесса, роль дефектов. Менее подробно рассмотрены приложения, касающиеся роли диффузии в процессах производства, фазовых превращений, пластической деформации и разрушения металлов. Экспериментальные данные приведены лишь для иллюстрации и в той мере, в какой они, по мнению автора, способствуют усвоению материала. С этой же целью в конце каждой главы даны задачи.

Предполагается, что к моменту начала изучения диффузии студенты знакомы с основами химической термодинамики, имеют представление о статистической термодинамике, в частности о статистике Больцмана, умеют дифференцировать, интегрировать и решать обычные дифференциальные уравнения и уравнение теплопроводности.

Студентам технических вузов и инженерам часто приходится решать диффузионные задачи, поэтому книга, предназначенная в основном для студентов металлофизиков и металловедов, может быть полезна также тем, кто специализируется в области металлургии черных и цветных металлов, физико-химических исследований металлургических процессов, исследования материалов для машиностроения, электронной техники и т. д., аспирантам и научным работникам соответствующего профиля.

В процессе как чтения лекций, так и подготовки к печати этой книги, автор многократно пользовался советами своих учителей, А. А. Жуховицкого и С. 3. Бркштейна, которым он выражает свою глубокую благодарность. Автор искренне благодарен рецензенту Я. Е. Гегузину за подробный и благожелательный критический разбор рукописи, а также кафедре материаловедения МВТУ за многочисленные, полезные критические замечания. С большой признательностью автор отмечает помощь, оказанную ему сотрудниками кафедры физической химии МИСиС при подготовке рукописи к изданию.


Введение

Перенос различных свойств в кристаллах осуществляется благодаря возникновению потоков этих свойств: перенос тепла осуществляется с помощью теплопроводности, зарядов — электропроводности, импульса — вязкости и т. д. Диффузия — это перенос вещества, массы. Формальное сходство между некоторыми процессами переноса (например, теплопроводностью и диффузией) выражается в совпадении уравнений, описывающих процесс.

Диффузией обычно называют процесс самопроизвольного выравнивания концентрации. Строго говоря, это неверно. Истинной причиной, вызывающей перемещение частиц (атомов, молекул, вакансий) при диффузии, является разница химических потенциалов в различных точках системы, а не концентраций. Поэтому при наличии в системе других градиентов, кроме градиента концентрации, различие концентраций в кристалле в результате диффузии может не только не уменьшаться, но, наоборот, расти. Классическим примером является термодиффузия (перенос в температурном поле) и «восходящая» диффузия (диффузия в поле напряжений).

Несмотря на это, в первых двух главах автор почти не пользуется понятием химического потенциала: формальное описание процесса и анализ механизмов переноса целесообразнее дать, ограничиваясь представлениями о градиенте концентрации как единственной движущей силе процесса. Строгое определение движущей силы диффузионного переноса дано только в гл. III.

Следует также отметить, что реальные диффузионные процессы во многих случаях протекают не по чисто диффузионной, а по смешанной кинетике, т. е. их скорость определяется не только коэффициентом диффузии, но и коэффициентом граничной кинетики (константой скорости химической реакции, адсорбции и т. д.). Если пути диффузии малы, то скорость процесса преимущественно контролируется граничной кинетикой. Однако это важное обстоятельство подробно обсуждается лишь в последней главе: книга о диффузии в основном должна быть посвящена обсуждению диффузии.

Значение диффузии определяется, по крайней мере, тремя обстоятельствами. Во-первых, диффузия является процессом элементарным в том смысле, что она осуществляется благодаря перемещениям отдельных частиц (атомов, ионов, молекул), т. е. на атомном уровне. Поэтому изучение диффузии является полезным и во многих отношениях уникальным инструментом для^ исследования структуры кристаллов, дефектов решетки и т. д.

Во-вторых, диффузия является одним из наиболее общих процессов в твердых телах. Диффузия происходит в чистых металлах и металлических сплавах, окислах и интерметаллидах, диэлектриках и полупроводниках, в широком диапазоне температур и внешних условий.

Наконец, в-третьих (по счету, но не по значению), диффузия играет ведущую роль во многих процессах, определяющих структуру и свойства материалов. Среди них можно назвать кристаллизацию, фазовые превращения, процессы выделения из твердого раствора и коагуляции, спекание порошковых материалов, многие специфические процессы в полупроводниках (р — л-переходы) и т. д. Особенно следует выделить роль диффузии в пластической деформации при высоких температурах и разрушении металлов в связи с ростом требований к жаропрочности материалов.

В отличие от некоторых других разделов физики и химии твердого тела теория диффузии, ее методы находятся в развитии, отнюдь не по всем -проблемам имеются общепринятые представления — вот почему в этой книге слова «по-видимому» и «вероятно» будут встречаться чаще, чем это обычно бывает в учебниках. Диффузионные проблемы дают огромные возможности для построения моделей, гипотез, для фантазии. Тем, кто привык упрекать точные науки за их мнимую сухость, автор напоминает слова Экзюпери: «Теоретик верит в логику. Ему кажется, что он презирает мечту, интуицию и поэзию. Он не замечает, что они, эти три феи, просто переоделись, чтобы обольстить его, как влюбчивого мальчишку. Он не знает, что как раз этим феям обязан он своими замечательными находками. Они являются ему под именем «рабочих гипотез», «произвольных допущений», «аналогий» и может ли теоретик подозревать, что слушая их, он изменяет суровой логике и внемлет напевам муз».


Об авторе
Бокштейн Борис Самуилович
Профессор кафедры физической химии Московского института стали и сплавов. Доктор физико-математических наук по специальности "Физика твердого тела", профессор. Заслуженный деятель науки РФ, почетный работник высшего профессионального образования РФ, почетный член Французского общества металлургии и материалов, Соросовский профессор. Область научных интересов: термодинамика и кинетика процессов в твердых телах, диффузия и дефекты в металлах, сплавах, аморфных и нанокристаллических материалах, диффузия и сегрегация в межкристаллитных границах (границах зерен, межфазных границах), зернограничное смачивание. Член редколлегий российских и международных журналов. Автор более 250 научных статей, 10 книг и 4 учебников.

Страницы (пролистать)