Особенности диффузии некоторых переходных металлов в сплавах никеля
Особенности диффузии некоторых переходных металлов в
сплавах никеля
Муллакаев М.С., Габитов Э.В.
В
настоящее время существуют макро- и микроскопические теории диффузии.
Макроскопическая теория основана на формализме, связанном с термодинамикой
необратимых процессов, и выражения для потоков получают как функции
термодинамических сил и параметров. В микроскопической теории вычисляют потоки,
опираясь на механизмы, которые основаны на представлении об атомных скачках.
Единого
универсального механизма диффузионных перемещений для различных материалов и
всевозможных условий нет. Эти механизмы зависят от вида химической связи, типа
и компактности решетки, температуры, при которой происходит диффузия, природы
диффундирующей примеси и других факторов. Для исследования механизма диффузии
обычно принимают ту или иную модель, теоретически рассчитывают коэффициент
диффузии D и предэкcпоненциальный множитель D0, а затем сравнивают их с
экспериментально измеренными величинами.
Попытки
распространить модели, используемые при описании диффузии в разбавленных
сплавах, на концентрированные сталкиваются с трудностью выбора правильного
приближения из-за увеличивающегося числа неизвестных параметров [1]. И поэтому
во многих моделях применяют приближение с использованием малого числа энергий
парного взаимодействия для стабильной и седловинной конфигурации, чтобы описать
влияние локального окружения на высоту потенциального барьера [2-3].
Как
следствие, подобные модели позволяют вычислить только энергии активации, а не
сами коэффициенты диффузии. Предэкспоненциальные множители неизвестны и
произвольно считаются постоянными. Не учитываются эффекты корреляции, хотя
зависимость частоты скачков от локального состава окружения нарушает
трансляционную симметрию решетки. Взаимодействие атомов в рамках указанных
моделей описывают с помощью парных энергий, и энергия сплава представляет собой
сумму таких энергий, что несправедливо в случае переходных металлов. Очевидно,
для того, чтобы описать изменение характера взаимодействия атомов с изменением
концентрации сплава, необходимо использовать расчеты на основе электронной
теории.
Согласно
[4], в твердых растворах вблизи вакансий существуют градиенты электрических
полей, которые достигают заметной величины на расстоянии 4-5 атомных сфер от
точечного дефекта. От величины таких градиентов зависит форма кривой изменения
потенциальной энергии вдоль пути диффузии, а следовательно, и параметры
диффузионного процесса.
В
работе [5] авторы приходят к выводу, что в неограниченных твердых растворах
замещения переходных металлов, степень заполнения d-полосы, приводящая к
изменению связи, коррелирует с изменением диффузионных характеристик. Однако
авторы не учитывают возможность переноса заряда между сплавляемыми элементами,
что также приводит к изменению характера сил связи в металлических сплавах.
Поэтому
для достижения прогресса в микроскопической теории диффузии необходимо
проведение ряда экспериментальных работ, где совместно рассматривались бы
диффузионные параметры сплавов с особенностями их электронной структуры.
Оже-спектроскопия
широко применяется для прямого исследования диффузионных процессов в тонких
пленках. Если толщина слоев больше, чем диффузионная длина, то распределение
атомов c (x, t) может быть описано функцией ошибок Гаусса [6]: