Transcript GLAVA 5: DIFUZIJA U ČVRSTIM TELIMA PITANJA OD ZNAČAJA... • Zbog čega se javlja difuzija? • Zašto je to bitan faktor za obradu materijala? •

GLAVA 5:
DIFUZIJA U ČVRSTIM TELIMA
PITANJA OD ZNAČAJA...
• Zbog čega se javlja difuzija?
• Zašto je to bitan faktor za obradu materijala?
• Kako se brzina difuzije može predvideti u
nekim jednostavnim slučajevima?
• Na koji način difuzija zavisi od strukture
i temperature?
Chapter 5- 1
PRIMER DIFUZIJE
• Staklena cev ispunjena vodom.
• U trenutku t = 0, dodati kapi mastila u jedan
kraj cevi.
• Posle nekog vremena, izmeriti difuziono
rastojanje, x.
• Uporediti rezultate sa teorijom.
Chapter 5- 2
DIFUZIJA: KAO FENOMEN (1)
• Difuzija: U leguri atomi teže da migriraju
iz oblasti sa velikom koncentracijom.
Početno stanje
Posle nekog vremena
Chapter 5- 3
DIFUZIJA: KAO FENOMEN (2)
• Samodifuzija: Kod čistih osnovnih elemenata, atomi
takođe migriraju.
Neki označeni atomi
Posle nekog vremena
C
A
D
B
Chapter 5- 4
DIFUZIONI MEHANIZMI
Supstitucijska difuzija:
• postoji kod supstitucionih uključaka
• atomi se premeštaju u praznine
• brzina zavisi od:
--broja praznina
--aktivacione energije za premeštanje.
Chapter 5- 5
SIMULACIJA DIFUZIJE
• Simulacija difuzije
preko granice:
• Brzina supstitucione
difuzije zavisi od:
--koncentracije praznina
--frekvencije premeštanja.
Chapter 5- 6
SIMULACIJA INTERSTICIJE
• Postoji kod intersticijskih
uključaka.
• Mnogo je brža od
difuzije praznina.
• Simulacija:
--pokazuje premeštanje
manjeg atoma (sivo) od
jednog intersticijskog
položaja na drugi u KZC
rešetki. Intersticijske
lokacije ovde prikazane
su na sredinama ivica
jedinične rešetke.
Chapter 5- 7
OBRADA DIFUZIJOM (1)
• Otvrdnjavanje površine:
--Difuzija atoma ugljenika
među atome osnove železa
u površinskom sloju.
--Primer intersticijske
difuzije je površinski
otvrdnut zupčanik.
• Rezultat: površinski sloj se
--teško deformiše: C atomi
“sprečavaju" smicanje ravni.
--teško lomi: C atomima je
površina pritisnuta.
Chapter 5- 8
OBRADA DIFUZIJOM (2)
• Dopiranje Silicijuma sa P kod n-tipa poluprovodnika:
• Postupak:
1. Nanošenje P
slojeva na površinu.
2. Zagrevanje.
3. Rezultat: Dopirane
oblasti poluprovodnika.
Chapter 5- 9
MODELIRANJE DIFUZIJE: FLUKS
• Fluks:
• Komponente u pravcima
• Fluks se može izmeriti za:
--praznine
--osnovne (A) atome
--atome (B) uključaka
Chapter 5- 10
KONCENTRACIJE I FLUKS
• Koncentracije, C(x): [kg/m3]
• Prvi Fikov zakon:
• Što je strmija promena koncentracije, to je veći fluks!
Chapter 5- 11
STACIONARNI SISTEM DIFUZIJE
• Stacionarni sistem: profil koncentracije se ne menja
sa vremenom.
• Primena prvog Fikovog
zakona:
• Ako je Jx)levo = Jx)desno ,
onda je
dC
J x  D
dx
 dC 
 dC 





 dx levo  dx desno
• Rezultat: nagib, dC/dx, mora biti konstantan
(npr., nagib se ne menja sa promenom položaja)!
Chapter 5- 12
PRIMER: STACIONARNI SISTEM DIFUZIJE
• Čelična ploča na
700°C sa datom
geometrijom:
• Pitanje: Koliko se
ugljenika preseli
sa bogate u
siromašnu stranu?
Chapter 5- 13
NESTACIONARNI SISTEM DIFUZIJE
• Koncentracija, C(x), se
menja sa vremenom.
• Održanje mase:
• Prvi Fikov zakon:
• Osnovna jedn.:
Chapter 5- 14
PR.: NESTACIONARNI SISTEM DIFUZIJE
• Bakar difunduje u aluminijumski štap.
• Opšte rešenje:
"funkcije greške"
Vrednosti su sračunate u Tabeli 5.1, Callister 6e.
Chapter 5- 15
PITANJE OBRADE
• Bakar difunduje u aluminijumski štap.
• 10 časova na 600°C postiže se zahtevana C(x).
• Koliko časova je potrebno za dobijanje iste C(x)
ako se obradi na 500°C?
Uslov 1: C(x,t500°C) = C(x,t600°C).
Uslov 2: U oba slučaja su jednake Co i Cs.
• Rezultat: Dt bi moralo da ostane konstantno.
• Rešenje:
Napomena: vrednosti za D su ovde
zadate.
Chapter 5- 16
PRIMER DIFUZIJE: ANALIZA
• Eksperiment: zabeležene su kombinacije t i x
pri kojima C ostaje konstantno.


C(x i , t i )  Co
x
i 
 1 erf 
= (konstanta)


Cs  Co
2 Dt i 
• Dubina difuzije je data sa:
Chapter 5- 17
PODACI ZA PRIMER DIFUZIJE
• Eskperimentalni rezultat: x ~ t0,58
• Teorija predviđa x ~ t0,50
• Prihvatljivo slaganje!
Chapter 5- 18
DIFUZIJA I TEMPERATURA
• Difuzija se povećava sa T.
• Eksperimentalni podaci:
D eksperimentalno zavisi od T
Podsetnik: takođe i praznine!
Chapter 5- 19
ZAKLJUČAK:
KRIST. REŠETKE I DIFUZIJA
Difuzija je BRŽA kod...
Difuzija SPORIJA kod...
• otvorenih kristalnih rešetki
• gusto pakovanih rešetki
• materijala sa nižom T
topljenja
• materijala sa višom T
topljenja
• materijala sa sekundarnim
vezama
• materiala sa kovalentnim
vezama
• manjih difuzionih atoma
• većih difuzionih atoma
• katjona
• anjona
• materijala manje gustine
• materijala veće gustine
Chapter 5- 20