Download
1 / 23
380 likes | 709 Views
مسیرهای نفوذ پذیری سریع. در مطالب گذشته تنها نواقصی که به نفوذ کمک می کردند جاهای خالی و فضاهای بین نشین بودند ، نابجائیها سطوح آزاد و مرزهای دانه ها تنها برای رسیدن به غلظت تعادلی نواقص وارد بحث می شدند .
E N D
در مطالب گذشته تنها نواقصی که به نفوذ کمک می کردند جاهای خالی و فضاهای بین نشین بودند ، نابجائیها سطوح آزاد و مرزهای دانه ها تنها برای رسیدن به غلظت تعادلی نواقص وارد بحث می شدند . این موضوع حرکت اتم ها به سوی نابجائیها ، سطوح مشترک ، مرزدانه ها و نفوذ در طول این نقایص را مورد بررسی قرار می دهد .
همه این نقایص به یک ساختار باز تر مربوط می شود و آزمایش ها نشان می دهد که فرکانس متوسط پرش برای اتم های متحرک در طول این نقایص ، بزرگتر از فراکانس های متوسط پرش اتم ها در درون شبکه است . بنابراین نفوذ در این نقایص سریعتر صورت می گیرد . در این بحث مشخص خواهد شد که در شرایط خاص ، نفوذ در طول و امتداد این نقایص می تواند بعنوان مسیرهای غالب و حاکم نفوذ شناخته شود .
1- نفوذ در امتداد مرزدانه ها و سطوح آزاد
بعنوان مثال پدیده ای که درباره آن صحبت می کنیم ، نقش نفوذ در مرزدانه ها را در شکل زیر می توان دید .
در این شکل ضریب نفوذ در خود ظاهری در نقره برای نمونه های تک بلوری و چند بلوری نشان داده شده است . این ضریب نفوذ ظاهری صرفاً مقدار D است که با پوشش دادن نقره رادیواکتیو روی سطح نمونه و نفوذ آن و سپس تعیین Dبا استفاده از رسم لگاریتم اکتیویته بر حسب مجذور فاصله نفوذ به دست آمده است . در دماهای بالا برای هر دو نوع نمونه مقدار D مشابهی بدست می آید ، ولی در کمتر از 700 درجه سانتی گراد مقدارDکه با استفاده از نمونه چند بلوری بدست می آید بیشتر از مقادیر بدست آمده با استفاده از نمونه تک بلوری است . مسیرهای نفوذ سریع دراین حالت مرزهای دانه ها هستند.سهمیا نقش مناطق مرزدانه ها در کمتر از 600 درجه سانتی گراد (NTM) عمده می شود .
بطور آزمایشی مشخص شده است که نفوذ در امتداد مرزدانه ها و سطح آزاد بوسیله رابطه زیر توصیف می شود : که Ds و Db نفوذ پذیریهای سطح ومرزدانه و Dso و Dbo عامل های فرکانس است و Qs و Qb انرژی فعال سازی برای نفوذ است که بطور آزمایشی تعیین می شود . بطور کلی در هر دمایی اندازه Ds و Db نسبت به نفوذ پذیری درون شبکه بدون نقص DIبه شکل زیر است : Ds > Db > Dp > DI Ds > Db > DI
این امر ناشی از این واقعیت است که حرکت اتم ها به ترتیب در سطوح آزاد،مرزهای درونی و درون شبکه آسانتر صورت می گیرد . نفوذ در سطح آزاد در بسیاری از پدیده های فلز شناسی نقش مهمی دارد ولی در یک نمونه فلزی ، میانگین سطح مرزدانه ها بسیار بزرگ تر از مساحت سطوح آزاد است و بطوری که معمولاً نفوذ مرزدانه ای اهمیتی بیشتر دارد . اهمیت نفوذ مرزدانه ای را با بررسی یک زوج نفوذی از فلزات A و B می توان نشان داد که مانند شکل به یکدیگر جوش داده شده است.
نفوذ اتم های A در امتداد مرزدانه ها ، نسبت به نفوذ اتم ها فقط از طریق شبکه تا عمق بیشتری می تواند نفوذ کند . افزون بر این به دلیل غلظت انبوه اتم های حل شونده در مرزدانه ها ، تعدادی از اتم ها از مرزدانه ها به درون شبکه نفوذ می کند .
این فرایند را می توان با رسانایی حرارت درون پلاستیکی مقایسه کرد که درون آن یک شبکه پیوسته از صفحه های آلومینیومی جا داده شده است . دما در هر نقطه در چنین نمونه ای قابل قیاس با غلظت اتم های حل شونده در زوج نفوذی است . نقاط درون شبکه ، نزدیک مرزدانه ها از راه مرزدانه ها که مسیرهای رسانایی سریع تر است بسیار سریعتر از حالت نبودن مرزدانه ها ، اتم های حل شونده را دریافت می کند .
نفوذ سریع در امتداد مرزدانه ها ، غلظت متوسط در برش همچون dx در شکل را افزایش می دهد و افزایشی در نفوذ پذیری ظاهری در ماده را سبب می شود . در این قسمت شرایطی را بررسی می کنیم که نفوذ از راه مرزدانه دارای اهمیت بیشتری است .
برای سادگی مسئله مانند شکل یک حالت نفوذ در شرایط مانا در میان یک صفحه از ماده ای را در نظر می گیریم که مرزهایش عمود بر صفحه است. با فرض اینکه شیب های غلظتی در شبکه و در امتداد مرزها برابر است شـار اتم های حل شونده درمیـان شبکه JI و در امتداد مرزدانه های JB بصورت زیر بیان می شود . به هر حال سهم نفوذ از راه مرزدانه در شارکل درون صفحه به نسبت مساحت سطح برشهایی بستگی خواهـد داشت کـه اتـم حل شونده از میان آنها می گذرد . شکل( 2-1) ترکیب شارهای مرزدانه و شبکه در شرایط نفوذ در حالت مانا در میان قطعه ای نازک از ماده .
اگر ضخامت واقعی مرزدانه S و اندازه دانه d باشد شار کل به صورت زیر بدست می آید : در نتیجه در این حالت ، ضریب نفوذ ظاهری برابر خواهد بود با: مشاهده می شود که اهمیت نسبی نفوذ از راه مرزدانه و شبکه به نسبت بستگی دارد . هنگامی که Did << DbSنفوذ از راه شبکه در مقایسه بانفوذ مرزدانه را می توان نادیده گرفت . بنابراین نفوذ از راه مرزدانه سهم مهمی در شار کل خواهد داشت .
پهنای مؤثر یک مرزدانه تقریباً nm 0/5 است و اندازه دانه ها از تقریباً 1 تاµm 1000 تغییر می کند بنابراین میزان تأثیر مرزدانه بر اساس اندازه دانه تغییر خواهد کرد . اندازه نسبی DbS و Did نسبت به دما بسیار حساس است . این موضوع بوسیله شکل که نماینگر تأثیر دما بر DI و Db می باشد ، مشخص شده است . اگرچه در تمام دماها DI < Db ، ولی با کـاهـش دمــا اختلاف این دو بیشتـر می شود . این بدان دلیل است که انرژی فعـال سـازی برای نفوذ از راه مـرزدانه ( Qb ) بسیار کمتر از انرژی فعال سازی برای نفوذ شبکه (Q1) می باشد .
بطور کلی مشخص شده است که نفوذ از راه مرزدانه در دمای های زیر نزدیک به TM 0/8 – 0/75 دمای تعادلی ذوب بر حسب کلوین مهم می شود . سرعت نفوذ اتم ها در امتداد مرزدانه های مختلف یکسان نیست و به ساختار اتمی مرزدانه بستگی دارد که در واقع به آرایش بلورهای مجاور و متصل به یکدیگر و صفحه مرزدانه بستگی دارد و ضریب نفوذ با جهت نفوذ درون صفحه مرزی خاص تغییر می کند .
نکته : اگر قرار است نفوذقابل ملاحظه ای در مرزدانه ها وجود داشته باشد بایستی بزرگتر از باشد . از نظر فیزیکی دلیل آن است که ضخامت مرزدانه آنقدر کم است که شار حاصل از آن به اندازه ای نیست که اتم های حل شونده را وارد کند تا توزیع را تغییر دهد مگر آنکه باشد .
تغییرات با دما : نتایج آزمایشگاهی بطور آشکار نشان می دهد که انرژی اکتیواسیون نفوذ مرزدانه کمتر از نفوذ شبکه ای است در حالی که D0 برای هر دو تقریباً یکسان است .
اگر نفوذ از راه مرزدانه را بتوان با انتقال حرارت در میان ماده ای مقایسه کرد که از صفحه های آلومینیومی درون یک زمینه پلاستیکی ساخته شده است ، نفوذ در امتداد نابجایی ها را می توان با انتقال حرارت در سیم های آلومینیومی درون یک زمینه پلاستیکی مقایسه کرد . نابجایی ها بطور واقعی همانند لوله هایی عمل می کند که اتم ها با یک ضریب نفوذ Dp درون آنها جابجا می شود . سهم نابجائی ها در شار کل درون یک ماده به نسبت مساحت سطح مقطع های لوله و زمینه بستگی دارد .
با بکارگیری مدلی ساده مانند شکل به آسانی می توان نشان داد که نفوذ پذیری ظاهری در میان یک تک بلور دارای نابجاییDappبوسیله رابطه زیر به ضریب نفوذ شبکه مرتبط می شود . g : مساحت سطح مقطع لوله بر واحد سطح شبکه که مقدار تقریبی آنg ≈است
نکته : در دمای های بالا نفوذ از راه شبکه سریع است و مقداری بسیار کوچک می شود به گونه ای که سهم نابجایی در شارکل اتم ها را می توان نادیده گرفت . به هر حال از آنجا که انرژی فعال سازی برای نفوذ از راه نابجایی کمتر از نفوذ از راه شبکه است . با کاهش دما DI بسیار سریع تر از Dp کاهش می یابد ودر دماهای پائین به اندازه ای بزرگ می شود که نفوذ پذیری ظاهری کاملاً بر اثر نفوذ در امتداد نابجایی ها است. بطور کلی ثأثیر نابجایی در دماهای نزدیک به زیر Tm0/5 مهم می شود .
پایان پایان
