Khuếch tán trong kim loại

Kvant 1971, số 10 tr. 10-15 Thẻ CA5M

Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →

Khuếch tán là một hiện tượng rất phổ biến trong tự nhiên và có tầm quan trọng thực tiễn rất lớn. Chúng tôi đăng ở đây một bài báo của B. Culliti, do nhà xuất bản Nauka chuẩn bị cho số tiếp theo của tuyển tập “Các nhà vật lý đang nghĩ về điều gì”. Bài báo được đăng trên tạp chí Scientific American. Bản dịch của V. K. Fedyanin.

Các nhà khoa học Liên Xô đã có những đóng góp đáng kể cho việc nghiên cứu hiện tượng khuếch tán. Những ai mong muốn làm quen hơn với hiện tượng này có thể tìm thấy rất nhiều thông tin thú vị trong cuốn sách khoa học nổi tiếng của Ya. E. Geguzin “Các tiểu luận về sự khuếch tán trong tinh thể,” do nhà xuất bản Nauka xuất bản năm 1970.

Mùi nước hoa được biết là tồn tại ở một khoảng cách khá xa. Điều này được giải thích là do hơi nước hoa khuếch tán rất dễ dàng trong không khí. Những giọt thuốc nhuộm lỏng trong nước dễ dàng khuếch tán khắp bình. Sự khuếch tán trong chất rắn khó quan sát hơn nhiều. Vì lý do này, nghiên cứu sự khuếch tán trong chất rắn đã trở thành một trong những nghiên cứu thú vị nhất trong vật lý ngày nay.

Giống như nhiều lĩnh vực khác của con người, nó làm giảm hiệu quả; trong trường hợp này, nó làm giảm mức độ ưu tiên của kiến thức. Trong nhiều thế kỷ, các công nhân đã hàn kim loại và sản xuất thép bằng cách nung sắt rắn trong môi trường carbon mà không hề biết gì về quá trình khuếch tán đang diễn ra. Chỉ đến năm 1896, nghiên cứu khoa học về vấn đề này mới bắt đầu.

Nhà luyện kim người Anh William Roberts-Austin đã đo sự khuếch tán của vàng trong chì bằng một thí nghiệm đơn giản. Ông đặt một chiếc đĩa vàng mỏng vào đầu một ống trụ bằng chì nguyên chất dài một inch, đặt ống trụ này vào lò nung nơi nhiệt độ được duy trì ở khoảng 200°C và giữ nó trong lò trong 10 ngày. Sau đó, ông cắt hình trụ thành những chiếc đĩa mỏng và đo lượng vàng khuếch tán vào từng môi trường chì. Hóa ra là ở đầu “sạch” một lượng vàng hoàn toàn có thể đo lường được đã đi qua toàn bộ hình trụ; Chì khuếch tán theo hướng ngược lại vào sâu trong đĩa vàng (Hình 1). Roberts-Austin phát hiện ra rằng kim loại nóng sẽ khuếch tán sang kim loại khác khi chúng được ép chặt vào nhau.

Từ quan điểm cấu trúc nguyên tử của vật chất, tính thấm của chất rắn không phải là một quốc gia. Ngày nay chúng ta có một ý tưởng hay rằng ngay cả vật rắn đặc nhất cũng chỉ khá yếu

*) Inch≈2,5 cm.

tập hợp các nguyên tử được kết nối. Trong các tinh thể tạo thành kim loại, các nguyên tử được sắp xếp thành một mạng cố định ở những vị trí nhất định mà chúng rất khó bị bật ra.
Tuy nhiên, mạng tinh thể lý tưởng và được xây dựng đầy đủ không tồn tại. Chúng luôn chứa một số lượng chỗ trống hoặc “lỗ trống” nhất định, trong đó các nguyên tử khuếch tán có thể “nhảy”. Khi nó nhảy vào một chỗ trống nào đó, nguyên tử sẽ để lại một chỗ trống mới.
Một nguyên tử lân cận có thể di chuyển vào chỗ trống này; nguyên vẹn, nhờ chuyển động liên tục của các nguyên tử trong mạng, một nguyên tử có thể đi qua tinh thể (Hình 2).

Điều gì làm cho một nguyên tử rời khỏi vị trí của nó trong mạng và “quét” vào một chỗ trống? Thực tế là trên thực tế các nguyên tử trong mạng không ở vị trí cố định trong một mảng. Là kết quả của chuyển động nhiệt, các nguyên tử liên tục dao động tương ứng với một mức trung bình nhất định hay chính xác hơn là tăng vị trí bảo vệ trên các vị trí có thể có khác nhau của vị trí của chúng. Biên độ của những dao động này có thể thay đổi từ nguyên tử này sang nguyên tử khác và theo thời gian. Đôi khi, một nguyên tử ở xa vị trí cân bằng đến mức nó có thể nhảy sang một chỗ trống liền kề. Tất nhiên, xu hướng này tăng mạnh nếu chúng ta làm nóng cơ thể, từ đó làm cho các nguyên tử dao động mạnh hơn. Như vậy tốc độ khuếch tán tăng rất nhanh khi nhiệt độ tăng. Ví dụ, kẽm khuếch tán thành đồng ở nhiệt độ 300°C nhanh hơn gần 100 triệu lần so với nhiệt độ phòng.

Trong thí nghiệm Roberts-Austin, các nguyên tử vàng ở 200°C bị tách năng lượng ra khỏi xúc xích để bắt đầu nhảy vào các chỗ trống trong mạng (trường hợp tương tự xảy ra với các nguyên tử chì). Suy cho cùng, nếu thí nghiệm được tiến hành trong thời gian dài thì các nguyên tử vàng sẽ được phân bố đều khắp trụ chì. Một phân tích đơn giản có thể được thực hiện. Nếu bạn đặt nhiều quả bóng đen vào một hộp bóng trắng và lắc hộp lâu, thì các quả bóng đen sẽ được phân bổ đều cho các quả bóng trắng.

Cơm. 1. Con số lấn chiếm các thí nghiệm khuếch tán đầu tiên của Roberts-Austin. Vàng được đặt trên chì nguyên chất (hình trụ màu xám ở bên trái) và mẫu được nung nóng. Bên phải là hình trụ tương tự sau khi xảy ra hiện tượng khuếch tán vàng thành chì và chì thành vàng. Hình trụ này được cắt thành các đĩa mỏng để đo lượng vàng tạo thành sản phẩm mà chúng chứa. Đường cong thể hiện trong biểu đồ bên phải cho thấy sự thay đổi nồng độ vàng tùy thuộc vào khoảng cách từ mép trên của hình trụ bên phải.

Cơm. 2. Có thể có những chỗ trống trong các bình diện nguyên tử của tinh thể. Hình vẽ này cho thấy vàng (vòng tròn màu vàng) có thể khuếch tán như thế nào trong tinh thể chì. Sự chuyển đổi của nguyên tử vàng sang vị trí thể hiện ở hình dưới bên phải là có thể nếu chỉ có một chỗ trống trong mạng chì.

Sự khuếch tán của các nguyên tử trong kim loại nguyên chất (gọi là “sự tự khuếch tán”) có thể được thay đổi bằng cách sử dụng một phần nhỏ số nguyên tử phóng xạ của nguyên tố đó. Giả sử, để thay đổi tốc độ tự khuếch tán của đồng, cần phải đặt một lượng nhỏ đồng vị phóng xạ của đồng vào đầu ống trụ bằng đồng thông thường và nung ống trụ này đến một nhiệt độ nhất định. Sau khi đủ thời gian để quá trình khuếch tán xảy ra, mẫu được cắt thành những lát mỏng và máy đếm Geiger được sử dụng để thay đổi độ phóng xạ của từng môi trường kế tiếp. Những dữ liệu này cho phép tính toán tốc độ khuếch tán.

Một kim loại chỉ có thể khuếch tán sang một kim loại khác nếu có một chỗ trống trong mạng tinh thể, vì các nguyên tử của thậm chí hai kim loại khác nhau có kích thước xấp xỉ nhau.

Tuy nhiên, các nguyên tử của một nguyên tố phi kim, có kích thước nhỏ hơn nhiều so với nguyên tử kim loại, có thể lơ lửng giữa các nguyên tử trong tinh thể phi kim. Trong trường hợp này, sự khuếch tán không phụ thuộc vào chỗ trống nên nó diễn ra nhanh hơn nhiều. Tuy nhiên, ví dụ quan trọng nhất của trường hợp này là sự khuếch tán cacbon vào sắt.

Ở dạng định hướng, thép là hợp kim của cacbon và sắt. Các tính chất của thép thay đổi tùy thuộc vào hàm lượng carbon của hợp kim. Thép có hàm lượng carbon nhỏ (giả sử ở mức 1/4 phần trăm) không bền lắm và không rèn tốt. Tăng hàm lượng carbon làm cho nó mạnh hơn nhưng giòn hơn. Bộ phận máy như cơ cấu truyền động phải có bề mặt cứng để chống mài mòn và có đủ độ đàn hồi ở các bộ phận bên trong,

Để không bị gãy do tác động từ bên ngoài. Những đặc tính này có được thông qua một quá trình gọi là làm cứng bề mặt. Một mảnh kim loại được nung nóng và giữ trong khí giàu carbon, chẳng hạn như metan. Các nguyên tử carbon từ khí khuếch tán từ từ vào thép (Hình 3). Sau vài giờ chúng sẽ thâm nhập vào độ sâu khoảng 1/12 inch. Bề mặt, hay “lớp vỏ” của miếng thép này sau quá trình xử lý này chứa khoảng 1,2% cacbon, trong khi bên trong chỉ chứa 1/4% (Hình 4).

Kiến thức về các quá trình xảy ra trong quá trình khuếch tán nguyên tử vào kim loại có thể giúp chúng ta nghiên cứu cấu trúc bên trong của kim loại. Nói chung, một miếng kim loại được tạo thành từ những tinh thể nhỏ, hay còn gọi là “hạt”. Cấu trúc bên trong của một hạt riêng lẻ rất đều đặn - đó là một mạng gần như lý tưởng với một số lượng chỗ trống nhất định hoặc những sai lệch nhỏ khác so với lý tưởng. Nhưng gộp lại với nhau, các hạt không tạo thành một cấu trúc có trật tự. Vị trí tương đối của họ hoàn toàn là ngẫu nhiên. Rất hiếm khi, một hạt được điều chỉnh bằng cạnh của nó với hạt khác sao cho sự sắp xếp đều đặn

các nguyên tử trong đó dường như là sự tiếp nối sự sắp xếp các nguyên tử của một loại hạt khác. Rõ ràng, những hạt này tạo thành một góc nghiêng nhất định, được gọi là “góc phân kỳ”. Các nguyên tử nằm trong khu vực chương trình giữa các hạt sẽ nằm giữa các tinh thể và cuối cùng nằm bên trong một trong số chúng. Kết quả là, sự phá hủy các nguyên tử được tạo ra ở khu vực này lớn hơn so với các hạt. Các nguyên tử khuếch tán đi qua các chương trình vùng như vậy nhanh hơn nhiều so với đi qua mạng tinh thể thông thường của hạt. Người ta biết rõ rằng các nguyên tử kim loại khuếch tán nhanh hơn nhiều trong kim loại hạt mịn, nghĩa đen là có ranh giới hạt, so với kim loại được chế tạo từ các tinh thể lớn.

M. Akhter và R. Smoluchowski đã tiến hành một thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của góc phân kỳ giữa các hạt đến tốc độ khuếch tán. Họ chuẩn bị một hình trụ bằng đồng, bao gồm các tinh thể dạng sợi lớn được sắp xếp sao cho các mặt phẳng của mạng tạo thành các góc dây tóc với nhau. Một hợp kim của đồng và bạc được hàn vào đầu mẫu đồng và toàn bộ vật được nung nóng đến nhiệt độ 675 ° C. Sau 10 ngày, họ đã chuẩn bị

Cơm. 3. Sự khuếch tán cacbon trong sắt không phụ thuộc vào sự có mặt của lỗ trống. Các nguyên tử carbon (vòng tròn màu đen) đủ nhỏ để lọt vào giữa các nguyên tử sắt (vòng tròn màu xanh).

Cơm. 4. Sự cứng lại bề mặt của thép xảy ra do sự khuếch tán cụ thể của các nguyên tử carbon vào nó. Phần giữa của hình vẽ là một bức ảnh vi mô hoặc cấu trúc về sự phân bố cacbon trong một miếng thép có bề mặt tiếp xúc với hydrocarbon. Đường cong trên cùng biểu thị phần trăm cacbon theo khoảng cách đến bề mặt của miếng thép. Đường cong phía dưới đặc trưng cho cường độ của thép ở các phần khác nhau của chi tiết.

như một lỗi thử nghiệm. Để thuyết phục những người nghi ngờ, Kirkendile, cộng tác với A. Smigelax, đã tiến hành một loạt thí nghiệm mới. Họ chỉ phủ một lớp đồng lên các mặt đối diện của gốc đồng thau, và giữa đồng và đồng thau ở cả hai mặt của gốc đồng thau, họ đặt dây molypden để cố định ranh giới giữa đồng và đồng thau. Sau đó, mẫu được đun nóng đến nhiệt độ cao. Nếu các nguyên tử đồng đi vào thanh đồng nhanh như khi các nguyên tử kẽm thoát ra khỏi nó thì kích thước ban đầu của thanh đồng sẽ không thay đổi. Điều này sẽ được biểu thị bằng vị trí đứng yên của dây molypden. Nhưng trên thực tế, sợi dây molypden đã dịch chuyển, và sự lệch vị trí của nó cho thấy thanh đồng đã co lại; nghĩa là các nguyên tử kẽm thoát ra khỏi gốc cây nhanh hơn các nguyên tử đồng đi vào. Dưới kính hiển vi, có thể làm phẳng các lỗ chân lông khá lớn hình thành trên bề mặt do xuất hiện một số lượng lớn các chỗ trống phát sinh nơi các nguyên tử kẽm nhanh chóng thoát ra khỏi lỗ chân lông.

Những kết quả này được công bố vào năm 1947, và cái mà ngày nay được gọi là “hiệu ứng Kirkendyle” đã tạo ra một chấn động thực sự đối với các nhà luyện kim và tất cả các nhà nghiên cứu nghiên cứu tính chất của chất rắn.

Các thí nghiệm cũ đã được thử nghiệm và những thí nghiệm mới được thực hiện.

Vì hiệu ứng Kirkendile được phát hiện ngay lập tức trong nhiều hợp kim nên không còn nghi ngờ gì nữa là nó thực sự tồn tại.

Không còn nghi ngờ gì nữa, việc nghiên cứu hiện tượng khuếch tán sẽ giúp chúng ta hiểu sâu hơn về các tính chất của chất rắn và tất cả các quá trình kỹ thuật trong đó khuếch tán đóng vai trò chính.