Диффузионного проникновения

Дальнейшее развитие дифференциальных методов расчета радиационного теплообмена привело к возникновению диффузионного приближения, получившего свое название из-за аналогии выражений вектора потока излучения для этого приближения и вектора диффузионного потока частиц в теории диффузии.

В дальнейшем диффузионные представления в теории переноса излучения применительно к астрофизическим задачам использовались в работах А. Б. Северного и др. [Л. 62, 63]. Следует также отметить плодотворное применение диффузионного приближения для исследования радиационного переноса в других областях науки и техники: в физике (Л. 17, 64, 347], светотехнике [Л. 65], атомной энергетике [Л. 66, 67] и пр.

Автор дал приближенный анализ влияния анизотропии поля излучения на коэффициенты переноса в диффузионных уравнениях, провел расчеты интегральных коэффициентов поглощения для реальных топочных сред и использовал диффузионное приближение для решения ряда задач радиационного теплообмена в неподвижной и движущейся среде. В дальнейшем совместно с другими исследователями [Л. 27, 69] С. Н. Шориным была предпринята экспериментальная проверка справедливости формул диффузионного приближения на световых моделях с ослабляющей средой.

В [Л. 27] Г. Л. Поляк провел дальнейший анализ диффузионного приближения. Введя в рассмотрение безразмерный нормированный тензор А, равный отношению тензора напряжений излучения (1-93) к его главному инварианту (к объемной плотности энергии излучения), 144

В настоящей главе изложены теоретические основы диффузионного приближения с учетом селективности излучения и анизотропии объемного и поверхностного рассеяния (Л. 29]; проанализировано влияние формы индикатрисы рассеяния на коэффициент диффузии излучения и указаны условия, при которых этот коэффициент принимает простейшие выражения; как частный случай диффузионного приближения рассмотрено приближение радиационной теплопроводности.

Рассмотрим уравнения диффузионного приближения для спектрального излучения. Запишем для произвольной точки М в излучающей системе уравнение переноса для спектрального излучения (3-18). Умножим поочередно все члены этого уравнения на cos(s, Xi)da)s(i=l, 2, 3)

где fev = a'v -f- SVPV — эффективный спектральный коэффициент ослабления среды для уравнения диффузионного приближения, учитывающий индуцированное испускание и форму индикатрисы рассеяния; Av — простейшего вида безразмерный тензор изменения интенсивности излучения, компоненты которого равны:

С учетом (5-31) и (5-33) основная формула диффузионного приближения (5-6) для вектора потока .излучения принимает вид:

Эта формула является фундаментальным уравнением диффузионного приближения.

Выражения (5-34) и (5-35) являются общими и точными уравнениями диффузионного приближения, учитывающими как сам процесс рассеяния, так и его анизотропию. Помимо того, в них учитывается и относительное распределение интенсивности излучения по различным направлениям. По своей структуре (5-34) и (5-35) аналогичны формулам анизотропной диффузии, поскольку коэффициент диффузии излучения в этих выражениях имеет тензорный характер и определяется согласно (5-31) и (5-32).

Выражения (5-34) и (5-35) совместно с уравнением энергии и граничными условиями образуют расчетную систему уравнений диффузионного приближения.

Возможность образования диффузионных покрытий определяется прежде всего различием атомных диаметров металла основы и наносимого вещества. При диффузии в железо элементов с большим атомным диаметром указанное различие не должно превышать 15—16% [24]. В противном случае напряжения, возникающие в кристаллической решетке железа, превосходят предел ее упругой устойчивости. Решетка становится неустойчивой, что и определяет невозможность диффузионного проникновения таких больших атомов в решетку железа.

Поверхность, особенно трещины и выходящие наружу меж-зеренные граничные прослойки, являются как бы воротами для диффузионного проникновения чужеродных атомов в металл детали. Диффузия через поверхность оказывает сильное влияние на свойства металлов вообще и их поверхностных слоев особенно. Это имеет важное значение как в процессе изготовления деталей: методы обработки с высокой температурой в зоне разрушения

Сложность и разнообразие структурных и химических изменений, происходящих в высокотемпературных средах, лучше всего иллюстрируются данными, представленными на рис. 7—10. Конечно же, эти изменения не ограничиваются несколькими поверхностными атомными слоями, поскольку зона влияния окисления или коррозии обычно распространяется на глубину порядка десятков микрон, что определяется глубиной диффузионного проникновения кислорода в материал и глубиной выхода элементов сплавов, подверженных селективному окислению. В общем случае, переходя от границы газ/окисел в глубь материала, можно выделить следующие типы структурных и химических изменений: 1) внешняя оксидная пленка (окалина); 2) область, обогащенная компонентами среды в виде твердого раствора; 3) подокалина, состоящая из оксидных частиц; 4) зона, обедненная компонентами сплава, испытавшими селективное окисление (в частности, может иметь место обеднение упрочняющими выделениями). Кроме того, как уже упоминалось, преимущественное окисление может происходить вдоль химически активных короткозамкнутых диффузионных путей, таких как: 5) границы зерен и 6) стенки трещин. Что касается трещин, то их стенки можно рассматривать как свободные

Относительная граница диффузионного проникновения газовых вредных веществ в толщу ограждающей струи

Для водорода в еще большей степени, чем для гелия, существует опасность диффузионного проникновения в кристаллическую решетку материала, что сопровождается утечкой газа и ухудшением прочностных свойств материалов (водородная хрупкость).

Недавно было показано [32], что кобальтовые сплавы способны противостоять высокотемпературному охрупчивающе-му воздействию окислительной среды. У многих никелевых сплавов 100-часовое окислительное воздействие среды при температурах вблизи 982 °С сильно ухудшает пластичность в интервале 700—900 °С. Охрупчивание может быть следствием быстрого диффузионного проникновения кислород внутрь материала по границам зерен и связанного с этим формирования зернограничной пленки ?'-фазы. Кобальтовые сплавы ММ-509 и FSX-430 проявляли некоторую утрату долговечности и

количества подводимого к реакционной поверхности кислорода и скорости его диффузионного проникновения внутрь окисляемой частицы. Для ускорения процесса окисления нужен интенсивный массообмен в газовой фазе, обеспечивающий удаление от поверхности твердых частиц продукта реакции — сернистого ангидрида, а следовательно, облегченный подвод к^частице окислителя. Вполне естественно, более крупные частицы будут окисляться медленнее. При недостаточной продолжительности обжига внутри окисляемой частицы может сохраниться сульфидное ядро.

Выдержка той же длительности при 1000°С устраняет это различие. С повышением температуры и увеличением длительности отжига зерна матрицы укрупняются, и после часового отжига при 1100—1200° С они приобретают размеры, характеризуемые 3—2 баллами. Вместе с тем при высокотемпературной обработке в матрице появляется структурная неоднородность. В результате растворения интерметаллида и диффузионного перераспределения атомов хрома, никеля и вольфрама в нихромовой матрице образуется диффузионная зона, о глубине которой можно судить по различной травимости матрицы, а также по изменению микротвердости. Диффузионная зона в нихроме расширяется в основном за счет диффузионного проникновения вольфрама в нихром. Удаление атомов хрома и никеля из нихрома в интерметаллидную зону и волокно при 1100—1200° С происходит относительно легко. Результатом диффузионного взаимодействия волокна, интерметаллида и матрицы, наряду с потоками атомов хрома, никеля и вольфрама является и поток вакансий. Избыточные вакансии конденсируют на межфазных и межзеренных границах и дефектах в объеме кристаллов

от 0,5 до 100 нм (от 5 до 1000 А). В приближении аморфного слоя или переходной решетки (см. гл. II) область перехода от одного зерна к другому должна составлять не менее ста ангстрем. Данные исследований, выполненных с помощью ионных проекторов, показали, что толщина области «плохого» кристалла на границе между двумя зернами не превышает одного-двух межатомных расстояний. Таким образом, нет единого мнения даже о «кристаллографической» толщине границы. Кроме того, для различных явлений в металле — нарушения порядка в расположении атомов, диффузионного проникновения, травления — толщина границы (области, где значение свойства отличается от его значения в объеме зерна) оказывается различной. Например, толщина области повышенной травимости, связанной с границей зерна, достигает десятка микрон. Поэтому нет оснований считать, что диффузионная толщина границы равна кристаллографической толщине. Если определить первую как ширину зоны повышенной концентрации диффундирующих атомов, она будет значительно больше второй. Подтверждением этого предположения являются некоторые недавние исследования, выполненные методами Мессбауэра ([57] см. гл. II) и злектронномикроскопи-ческой авторадиографии (см. ниже гл. XI), которые приводят к

В качестве примера в табл. 1.1 приведены значения коэффициентов диффузии D, полученные экстраполяцией из высокотемпературных областей на Т=298 К (по данным [38]), а также вычисленные по ним средние глубины диффузионного проникновения L~(Dt)1/2 при t=10.4 с. Как легко видеть, в случае легкоплавких металлов глубина диффузионного проникновения заметно превышает толщину атомного монослоя, что и определяет условия применимости объемно-диффузионной модели GP. В сплавах же, содержащих цинк, гсеребро, медь, .никель и другие металлы, имеющие относительно высокие температуры плавления, • СР по механизму объемной диффузии представляется невозможным. Однако эксперимен-

Защитные покрытия сплавами также подвергаются селективной коррозии. При хроноамперометричёском изучении СР пленочных сплавов возникают трудности, связанные с сопоставимостью толщины сплава / и глубины зоны диффузионного проникновения. Ранее, рассматривая «полубесконечную» диффузию в сплаве, этот эффект не принимали, конечно, во внимание. Тем не менее результаты хроноамперо-, метрических измерений на тонких образцах могут быть при определенных условиях интерпретированы с позиций линей-ч-ной полубесконечной диффузионной модели. Например, иД~1/2-зависимость, полученная при СР А,В-сплава толщиной /, подчиняется уравнению Коттреля (2.28), когда выполняется условие [87]: