МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА – Часть 15

I = – D(dc/8x),

Где J – диффузионный поток (количество вещества в единицу времени на единицу площади); с – концентрация вещества в единице объема; х – расстояние в направлении диффузии; D — коэффициент диффузии, см2/с.

(6)

Или, если коэффициент диффузии не зависит от концентра­ции,

Где т — время

Согласно выражению Нернста—Эйнштейна Д – = BiRT, где B1- подвижность атома (скорость, приобретаемая под действием единицы силы). Это выражение удобно применять при рассмотрении подвижности заряженных частиц и связи между коэффициентом диффузии и электропроводностью.

Атом при перемещении из одного положения в решетке в другое должен пройти через промежуточное положение с вы­сокой энергией.

Величина необходимой для этого энергии называется энергией активации процесса, а температурная зависимость коэффициента диффузии может быть представлена выражением:

Где Е— кажущаяся энергия активации диффузии.

Величина коэффициента диффузии и его изменение с рос­том температуры зависят прежде всего от концентрации де­фектов кристаллической решетки (вакансий, ионов в междо­узлиях), энергии активации их перемещения по решетке. Как правило, на кривой зависимости между температурой и коэф­фициентом диффузии различают два участка: низкотемпера­турный, во многом определяемый наличием примесей (так на­зываемая примесная область диффузии), и высокотемператур­ный (собственно область диффузии).

Для нестехиометрических оксидов концентрация дефектов кристаллической решетки велика по сравнению с концентра­цией дефектов по Френкелю и Шоттки в решетке стехиометри – ческих оксидов или по сравнению с концентрацией дефектов, обусловленных наличием примесей. Энергия активациии диф­фузии катионов при постоянном составе вюстита соответст­вует величине энергии активации перемещения вакансий по катионным узлам и составляет 125-150 кДж/моль.

В жидкостях диффузия протекает иначе, так как строение решеток у этих систем другое. В этом случае диффузия ха­рактеризуется высокими значениями коэффициентов диффузии и низкими значениями величины энергии активации, так как решетка жидкости обладает высокой степенью неупорядочен­ности.

Необходимо отметить, что диффузия вдоль границ зерен, где решетка менее упорядочена, должна идти быстрее, чем в объеме кристалла. Точно так же и подвижность атомов на поверхности кристалла должна быть больше, чем внутри кристалла. Таким образом, при низких температурах должна преобладать диффузия по поверхности и границам зерен, а при высоких- объемная диффузия.

Структура и свойства оксидов железа

(8)

Железо образует с кислородом три стабильных оксида: Fe1^o, Fe3O4 и Fe2O3 (рис. 2). Вюстит Fe1^O может со­держать от 23,1 до 25,6 % O2. Отсюда видно, что стехио – Метрическое отношение Fe : О = 1, соответствующее 22,3 % O2, не достигается. Вюстит имеет гранецентрирован – г-ззг 33

Ную кубическую решетку типа NaCl. Если все узлы решет­ки, соответствующие ионам кислорода, заняты, то в уз – лах ионов железа имеются вакансии. Считают, что из – за этого в решетке должно находиться эквивалентное число ионов трехвалентного железа, иначе не выполня­лось бы условие электро­нейтральности.

Рис. 2. Диаграмма состояния Fe-O

Избыток положительных зарядов ионов железа может пере­двигаться по решетке между ионами двух – и трехвалентного железа. Эти заряды называют дефектными электронами, они являются носителями электричества и причиной электропро­водности вюстита. Благодаря наличию вакансий ионов железа возможно передвижение ионов железа по решетке, при этом вакансия иона железа блуждает в противоположном направле­нии. Между коэффициентом самодиффузии железа в вюстите (•Оре) и коэффициентом диффузии вакансий (Db) существует