דער באַגריף פון דיפוזיע אין מעטאַלורגיע
דיפוזיע איז איינע פון די מערסט פונדאַמענטאַלע קאָנצעפּטן אין מעטאַלורגיע ווייל זי קאָנטראָלירט ווי אַטאָמען באַוועגן זיך אין האַרטע מאַטעריאַלן. די אַטאָמישע באַוועגונג קען אויסזען "נישט זעבאר" אויף אַ מאַקראָסקאַלע, אָבער איר השפּעה איז זייער רעאַל: דיפוזיע השפּעהט אויף די ראַטע פון היץ באַהאַנדלונג, פאַזע פאָרמירונג, קעראָוזשאַן קעגנשטעל, מעכאַנישע שטאַרקייט, און אפילו די לעבן פון קאָמפּאָנענטן. אָן פֿאַרשטיין דיפוזיע, איז שווער צו דערקלערן פארוואס שטאָל קען ווערן פֿאַרהאַרטעט, פארוואס געוויסע אַלויז ווערן שוואַך נאָך פּראַלאָנגד הייצונג, אָדער פארוואס פּראַטעקטיוו לייַערס אויף מעטאַל ייבערפלאַכן קענען זיך פאָרמירן און בלייבן.
פֿאַרשטיין דיפֿוזיע און גרונטלעכע מעכאַניזמען
פשוט געזאגט, דיפוזיע איז די טראנספער פון מאסע צוליב א קאנצענטראציע גראדיענט, דאס הייסט, דער אונטערשייד אין דער קאנצענטראציע פון אן עלעמענט פון איין ארט צו א צווייטן. אין הארטע מאטעריאלן ווי מעטאלן, באוועגן זיך אטאמען נישט פריי ווי זיי טוען אין פליסיקייטן אדער גאזן. אבער, ביי געוויסע טעמפעראטורן, קענען אטאמען "שפרינגען" פון איין פאזיציע אין דער קריסטאל גיטער צו א צווייטן, ספעציעל אויב עס זענען דא ליידיגע אדער אינטערסטיציעלע ערטער. דער פראצעס פאראורזאכט אז אטאמען זאלן זיך פארשפרייטן פון געביטן מיט הויכער קאנצענטראציע צו געביטן מיט נידריגער קאנצענטראציע ביז א מער גלייכע פארשפרייטונג ווערט דערגרייכט.
אין מעטאַלורגיע, זענען דאָ צוויי הויפּט דיפוזיע מעקאַניזמען:
1. סובסטיטוציאָנעלע דיפוזיע
פּאַסירט ווען סאָלוטע אַטאָמען נעמען גיטער פּאָזיציעס אַנשטאָט באַזע מעטאַל אַטאָמען (למשל, ני אין פע אין צומיש שטאָל). אַטאָמען מיגרירן דורך אויסנוצן ליידיקע מאַטעריאַלן. ווײַל עס דאַרף די בייַזײַן פון ליידיקע מאַטעריאַלן און די רעלאַטיוו "שווערע" נאַטור פון דעם טראַנספער, איז סובסטיטוציאָנעלע דיפוזיע בכלל שטייטער.
2. אינטערסטיציעלע דיפוזיע
פּאַסירט ווען קליינע אַטאָמען נעמען איין אינטערסטיציעלע פּלעצער (למשל, C אדער N אין Fe). די קליינע אַטאָמען קענען שפּרינגען צווישן אינטערסטיציעלע ערטער אָן צו דאַרפֿן וואַרטן אויף ליידיגע פּלעצער, און אַזוי זענען זיי טיפּיש פיל שנעלער ווי סובסטיטוציאָנעלע דיפוזיע. דאָס איז פאַרוואָס קאַרבאָן קען דיפוזירן רעלאַטיוו שנעל אין אייַזן ביי הויכע טעמפּעראַטורן - אַ פאַקט וואָס איז קריטיש אין דער ייבערפלאַך האַרטנינג און היץ באַהאַנדלונג פון שטאָל.
טרייבקראַפטן פון דיפוזיע: קאָנצענטראַציע גראַדיענט און פרייע ענערגיע
דיפוזיע פאסירט ווייל א סיסטעם טענדירט צו א צושטאנד פון נידעריגערע פרייע ענערגיע. דער קאנצענטראציע גראדיענט איז די מערסטע פארשפרייטע טרייבקראפט: אטאמען באוועגן זיך אראפ א קאנצענטראציע גראדיענט צו רעדוצירן קאמפאזיציאנעלע העטעראגעניטי. אבער, אין מעטאלורגישע פראקטיק, קען די טרייבקראפט פאר דיפוזיע זיין מער קאמפלעקס, ווי למשל א כעמישע פאטענציאל גראדיענט, א סטרעס גראדיענט (סטרעס-געשטיצטע דיפוזיע), אדער א טעמפעראטור גראדיענט (טהערמאדיפוזיע). דאך, פאר אסאך אינזשעניריע אפליקאציעס, בלייבט דער קאנצענטראציע גראדיענט דער הויפט מאדעל פאר דיפוזיע אנאליז.
פיקס געזעץ: א קוואַנטיטאַטיווע ראַם פֿאַר דיפוזיע
דיפוזיע אנאליז אין מעטאלורגיע ניצט אפט פיקס געזעץ, וואס פארבינדט אטאמישע פלוקס מיט קאנצענטראציע גראדיענט.
– פיקס ערשטער געזעץ זאגט אז דער דיפוזיע שטראָם איז פראפארציאנעל צום קאנצענטראציע גראדיענט: אטאמען פליסן פון הויכער צו נידעריגער קאנצענטראציע. קאנצעפטועל, ווי שטערער דער קאנצענטראציע גראדיענט, אלץ גרעסער די ראטע פון דיפוזיע.
– פיקס צווייטער געזעץ דערקלערט ווי קאנצענטראציע ענדערט זיך מיט צייט. דער געזעץ איז קריטיש פארן פאראויסזאגן קאנצענטראציע פראפילן נאך פראצעסן ווי קארבוריזאציע, ניטרידינג, אדער צומיש עלעמענט דיפוזיע בעת לאנג-טערמין היץ באהאנדלונגען.
דורך פיקס געזעץ II, קענען אינזשענירן שאצן ווי לאנג הייצונג איז נויטיג צו דערגרייכן א געוויסע טיפקייט פון דיפוזיע אויף דער ייבערפלאך פון א קאמפאנענט.
דיפוזיע קאָעפיציענט און טעמפּעראַטור ווירקונג
די ראטע פון דיפוזיע ווערט גרויסענטייל באשטימט דורך דעם דיפוזיע קאעפיציענט (D). דער ווערט פון D וואקסט טיפיש דראמאטיש ווען די טעמפעראטור וואקסט, און זיין אפהענגיקייט פאלגט אפט די ארעניוס גלייכונג:
– ד וואַקסט עקספּאָנענציעל מיט טעמפּעראַטור,
– באשטימט דורך דער אקטיוואציע ענערגיע (Q) פאר אטאמישער פארשייבונג.
אין פראקטישע טערמינען, מיינט דאס אז א טעמפעראטור פארגרעסערונג פון עטליכע צענדליגער ביז הונדערטער גראד קען פארשנעלערן דיפוזיע אסאך מאל. דעריבער, מעטאלורגישע פראצעסן ווי צומיש האמאָגעניזאציע, מעטאל פודער סינטערינג, אדער היץ באהאנדלונג נוצן הויכע טעמפעראטורן צו פארשנעלערן אטאמישע באוועגונג און דערגרייכן די געוואונטשענע מיקראסטרוקטור אין א גלייכבארע פראדוקציע צייט.
דיפוזיע אין מיקראָסטרוקטור: באַציִונג מיט פאַזע טראַנספאָרמאַציע
דיפוזיע איז גלייך פארבונדן מיט פאזע טראנספארמאציעס אין צומישן. אסאך טראנספארמאציעס אין מעטאלן זענען דיפוזיע-קאנטראלירט, דאס מיינט אז די ראטע פון פארמאציע פון נייע פאזעס ווערט באשטימט דורך ווי שנעל אטאמען קענען זיך באוועגן.
אלס א ביישפיל:
– אין שטאָל, די פאָרמירונג פון פּערליט פון אַוסטעניט ריקווייערז קאַרבאָן דיפוזיע.
– די פאָרמירונג פון אָפּזאַץ אין אַלומינום אַלויז (למשל אַל-קוּ) בעת אַלטערן דעפּענדס אויך אויף דער דיפוזיע פון אויפגעלייזטע אַטאָמען צו פאָרמירן פארשטארקנדיקע פּאַרטיקלען.
אבער, נישט אלע טראנספארמאציעס פארלאנגען דיפוזיע. טראנספארמאציעס ווי מארטענסיט אין שטאל פאסירן זייער שנעל און זענען כמעט דיפוזיעלאז, ווייל די ענדערונג אין קריסטאל סטרוקטור פאסירט דורך קאלעקטיווע אטאמישע פארשייבונגען. די פארגלייך צווישן דיפוזיאנעלע און נישט-דיפוזיאנעלע טראנספארמאציעס איז שליסל צו פארשטיין ווי מעכאנישע אייגנשאפטן קענען קאנטראלירט ווערן דורך היץ באהאנדלונג.
דיפיוזשאַן ביי קערל גרענעצן און דיסלאָוקיישאַנז: די שנעלע שפּור
דיפוזיע אין מעטאַלן איז נישט שטענדיק די זעלבע איבערן גאנצן מאַטעריאַל. עס זענען דאָ וועגן וואָס באַשנעלערן דיפוזיע, נעמליך:
– גרענעצן פון תבואה
די געגנט האט א מער אומארדענטלעכע סטרוקטור ווי די קערל אינעווייניג, וואס ערלויבט אטאמען זיך גרינגער צו באוועגן. קערל גרענעץ דיפוזיע איז וויכטיג אין פענאמענען ווי קריכן ביי הויכע טעמפעראטורן און די סעגרעגאציע פון געוויסע עלעמענטן ביי קערל גרענעצן, וואס קען פירן צו שוואכקייט.
– דיסלאָקאַציע (רער דיפוזיע)
דיסלאָקאַציעס קענען דינען ווי "רערן" פֿאַר שנעלער דיפוזיע. אין עטלעכע פֿאַלן, ביישטייערט דיפוזיע דורך דיסלאָקאַציעס צו מיקראָסטרוקטורעלע ענדערונגען בעת הייסע דעפאָרמאַציע און אָפּזוך.
די שנעלע דיפוזיע-וועג דערקלערט פארוואס פיין-קערנדיקע אדער הויך-דיסלאקאציע-דענסיטי מאטעריאלן קענען אויסשטעלן אן אנדער דיפוזיע-פארהאלטונג ווי מער "פערפעקטע" קריסטאלינע מאטעריאלן.
אַפּליקאַציע פון דיפוזיע אין מעטאַלורגישע פּראָצעסן
דיפוזיע איז נישט נאָר אַ טעאָריע; עס ווערט גענוצט גלייך אין פילע אינדוסטריעלע פּראָצעסן:
1. קאַרבוריזאַציע און ניטרידינג
דער פּראָצעס פון פֿאַרהאַרטן די ייבערפֿלאַך פֿון שטאָל דורך אײַנפֿירן קוילן אָדער שטיקשטאָף אין דער ייבערפֿלאַך שיכט. דיפֿוזיע קאָנטראָלירט די טיפֿקייט פֿון דער קעסטל און דעם כאַרטקייט פּראָפֿיל.
2. האָמאָגעניזאַציע פון דער צומיש
נאך גיסן, פאסירט אפט קאמפאזיציע-אפטיילונג. האמאגעניזירנדע היץ באהאנדלונגען ניצן דיפוזיע צו אויסגלייכן די פארשפרייטונג פון צומיש-עלעמענטן.
3. פּודער מעטאַלורגיע סינטערינג
אין סינטערינג, פּודער פּאַרטיקלען בינדן זיך צוזאַמען און פּאָרעס שרינקען זיך רעכט צו אַטאָמישער דיפוזיע צווישן פּאַרטיקל ייבערפלאַכן, קערל גרענעצן און באַנד.
4. דיפיוזשאַן קאָוטינג
למשל, אַלומיניזירן אָדער כראָמיזירן קען פֿאַרגרעסערן אַקסאַדיישאַן/קעראָוזשאַן קעגנשטעל ביי הויכע טעמפּעראַטורן. די קאָוטינג פאָרמירט זיך ווען די קאָוטינג עלעמענטן דיפיוזירן אין די סאַבסטראַט און פאָרמירן ספּעציפֿישע אינטערמעטאַלישע קאַמפּאַונדז.
5. הויך טעמפּעראַטור קריכן און דעגראַדאַציע
ביי לאַנג-טערמין נוצן ביי הויכע טעמפּעראַטורן (טורבינעס, בוילערס), שפּילט דיפוזיע אַ ראָלע אין קערל גרענעץ פֿאַרשיבונג, גראָבער ווערן פון אָפּזאַץ, און פֿאַרגרעסערונג פון ליידיקייטן, וואָס לעסאָף שוואַכט דאָס מאַטעריאַל.
פאַקטאָרן וואָס ווירקן אויף דיפוזיע
עטלעכע וויכטיגע פאַקטאָרן וואָס קאָנטראָלירן דיפוזיע אין מעטאַלורגיע אַרייַננעמען:
– טעמפּעראַטור (מערסט דאָמינאַנט): וואָס העכער, אַלץ שנעלער.
– אַטאָמישע גרייס און טיפּ פון מעכאַניזם: קליינע אינטערסטיציאַלע אַטאָמען זענען שנעלער.
– קריסטאַל סטרוקטור: גיטער געדיכטקייט אַפעקטירט די גרינגקייט מיט וואָס אַטאָמען שפּרינגען.
– ליידיקייט קאנצענטראציע: וואַקסט מיט טעמפּעראַטור און אַפעקטירט סובסטיטוציאָנעלע דיפוזיע.
– די אנוועזנהייט פון קריסטאַל חסרונות: קערל גרענעצן, דיסלאָקאַציעס און פּאָרן קענען פאַרגיכערן דיפוזיע.
– צוזאמענשטעל פון אלעג: אינטעראקציעס צווישן עלעמענטן קענען פארגרעסערן אדער פארקלענערן אטאמישע באוועגלעכקייט.
קלאָוזינג
דער באַגריף פון דיפוזיע אין מעטאַלורגיע איז שליסל צו פֿאַרשטיין ווי די אייגנשאַפֿטן פֿון מעטאַלן און אַלויז קענען אינזשענירט ווערן. פֿון דער היץ באַהאַנדלונג פֿון שטאָל, ביז דער פֿאַרשטאַרקונג פֿון לייכטע אַלויז, ביז דער הויך-טעמפּעראַטור האַרטקייט פֿון מאַטעריאַלן, אַלץ איז איינגעוואָרצלט אין דער פֿעיִקייט פֿון אַטאָמען צו באַוועגן זיך אין אַ פֿעסטן מאַטעריאַל. מיטן ראַם פֿון פֿיקס געזעץ און אַ פֿאַרשטאַנד פֿון סובסטיטוציאָנעלע און אינטערסטיציעלע דיפוזיע מעקאַניזמען, קענען אינזשענירן פֿאָרויסזאָגן פּראָצעס ראַטעס, אָפּטימיזירן פּראָדוקציע פּאַראַמעטערס, און פֿאַרהיטן קאָמפּאָנענט דורכפֿאַלן אין דעם פֿעלד. לעצטנס, דיפוזיע איז דער "מאָטאָר" פֿון מיקראָסטרוקטור - און מיקראָסטרוקטור איז דער ערשטיקער דעטערמינאַנט פֿון מעטאַלישער מאַטעריאַל פאָרשטעלונג.
אויב איר ווילט, קען איך צולייגן א קאנצעפט דיאגראם (למשל, א קארבוריזאציע קאנצענטראציע פראפיל), א פשוט'ן רעכענונג ביישפיל באזירט אויף פיקס געזעץ, אדער דיסקוטירן ספעציפישע דיפוזיע אין די Fe–C סיסטעם אין מער טיפקייט.
