Диффузия в металлах

Доклад по физике 7 класс

Доклад по физике 7 класс на тему Диффузия
Доклад по физике 7 класс на тему Диффузия

Кроме броуновского движения, опытным доказательством того, что тела состоят из молекул, которые находятся в непрерывном беспорядочном движении, является диффузия.

Запах духов, как известно, ощущается на довольно большом расстоянии. Объясняется это тем, что пары духов легко диффундируют в воздухе. Капли жидкого красителя в воде легко диффундируют по всему сосуду. Намного труднее наблюдать диффузию в твердом теле. По этой причине изучение диффузии в твердых телах стало одним из наиболее интересных исследований в физике наших дней.

Как и во многих других областях человеческой деятельности, в данном случае умение предшествовало знанию. Столетиями рабочие сваривали металлы и получали сталь нагреванием твердого железа в атмосфере углерода, не имея ни малейшего представления о происходящих при этом диффузионных процессах. Лишь в 1896 г. началось научное изучение проблемы.

Английский металлург Вильям Робертс-Аустин в простом эксперименте измерил диффузию золота в свинце. Он наплавил тонкий диск золота на конец цилиндра из чистого свинца длиной в 1 дюйм (2,45 см), поместил этот цилиндр в печь, где поддерживалась температура около 200 о С, и держал его в печи 10 дней. Затем он разрезал цилиндр на тонкие диски и измерил количество золота, которое продиффундировало в каждый срез свинца.

Оказалось, что к «чистому» концу через весь цилиндр прошло вполне измеримое количество золота; в противоположном направлении в глубь золотого диска продиффундировал свинец.

Доклад по физике 7 класс - Рис.1 График
Рис.1. График, показывающий изменение концентрации золота в цилиндре в зависимости от расстояния до края.

Робертс-Аустин обнаружил, что нагретый металл диффундирует в другой, когда они тесно прижаты друг к другу. С точки зрения атомного строения вещества проницаемость твердых тел не является странной. В настоящее время мы хорошо представляем себе, что даже наиболее твердое тело — всего довольно слабо связанный набор атомов. В кристаллах, образующих металл, атомы располагаются в определенных положениях, из которых их довольно трудно сместить. Такое расположение атомов в кристаллах называют кристаллической решеткой. Однако идеальных и полностью застроенных решеток не существует. В них всегда имеется некоторое количество пустых мест — вакансий, или дырок, в которые могут перепрыгнуть диффундирующие атомы. Перепрыгнув в некую вакансию, атом оставляет после себя новую вакансию. В нее может перейти соседний атом; итак, путем непрерывных перемещений атомов в решетке атом может пройти через кристалл.

Доклад по физике 7 класс - Иллюстрация диффузии золота в кристалле свинца.
Рис. 2. Иллюстрация диффузии золота в кристалле свинца.

Что же заставляет атом покидать свое место в решетке и «перескакивать» в вакансию? Дело в том, что атомы непрерывно колеблются относительно некоторого среднего положения. Время от времени они настолько далеко отходят от своего положения равновесия, что могут перескочить в соседнее вакантное место. Возможность этого, безусловно, резко возрастает, если тело подогревают, заставляя тем самым атомы совершать более сильные колебания.

В эксперименте Робертса-Аустина атомы золота при 200 о С колебались достаточно быстро. чтобы начать перескакивать в вакансии решетки (то же имело место и для атомов свинца). В конце концов, если бы эксперимент продолжался очень долго, атомы золота равномерно распределились бы по всему свинцовому цилиндру.

Доклад по физике 7 класс - Атомы золота ищут вакансию в кристаллической решетке свинца.
Рис. 3. Атомы золота ищут вакансию в кристаллической решетке свинца.

Металл может диффундировать в другой металл лишь при наличии вакансий в кристаллических решетках, поскольку атомы даже двух разных металлов имеют размеры примерно одного и того же порядка. Однако атомы неметаллического элемента, размеры которых много меньше, чем размеры атомов металла, могут «втиснуться» между атомами в металлическом кристалле. При этом диффузия не зависит от вакансий, и, следовательно, происходит намного быстрее. Одним из наиболее важных примеров такого случая может служить диффузия углерода в железе.

Доклад по физике 7 класс - Диффузия углерода в железе
Рис. 4. Диффузия углерода в железе

В своей наипростейшей форме сталь является сплавом углерода и железа. Свойства стали меняются в зависимости от содержания в сплаве углерода.

Доклад по физике 7 класс - Атомы углерода удобно размещаются между атомами железа.
Рис.5. Атомы углерода удобно размещаются между атомами железа.

Сталь с небольшим содержанием углерода (например, около 0,25%) не очень прочна и хорошо куется. Повышение содержания углерода делает сталь более прочной, но более хрупкой. Такая деталь машины, как передаточный механизм, должна обладать твердой поверхностью, чтобы сопротивляться износу, и быть достаточно упругой в своих внутренних частях, чтобы не сломаться при внезапных ударах. Эти свойства приобретаются в следующем процессе. Кусок металла разогревается и выдерживается в газе, богатом углеродом, например в метане. Атомы углерода из газа немедленно диффундируют в сталь. Через несколько часов они проникают на глубину около одной двенадцатой дюйма (примерно на 2 мм). Поверхность или «оболочка» этого куска стали после такой обработки содержит около 1,2% углерода, тогда как внутренняя его часть содержит всего лишь 0,25% углерода.

Использованная литература:

Б. Кулитти «Диффузия в металлах»