Способ определения коэффициента диффузии

А СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 191 011 Ов С 01 Ы 13 00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВТОРСКОМ,К СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(71) Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистическойреволюции и Институт металлофизикиАН Украинской ССР(5 ч) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ, заключающийся в последовательном удалении параллельных слоев контролируемой толщины с поверхности исследуемого образца и измерении после каждого удаления параметра образца, характеризующего количество диффузанта в нем, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения числа исследуемых диффузантов, удешевления и упрощения способа путем обеспечения не- радиоактивных элементов, в качестве параметра образца, характеризующего количество диффузанта в немФ измеряют температуропроводность об раэца в направлении диффузии.1117 3выше такого же количества обычного алюминия) и увеличение числа обслуживающего персонала значительно удорожают себестоимость исследований, проводимых с помощью известного способа.5Целью изобретения является увеличение числа исследуемых диффузантов, удешевление и упрощение способа путем обеспечения использования нерадиоактивных элементов.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения коэффициента диффузии, заключающемуся в последовательном удалении параллельных слоев контролируемой толщины с поверхности исследуемого образца и измерении после каждого удаления параметра образца, характеризующего количество диффузанта в нем, в качестве параметра образца, характеризующего количество диффузанта в нем измеряют температуропроводность образца в направлении диффузии.25 10 Предлагаемый способ основан на зависимости температуропроводимости материала от наличия в нем атомов другого сорта и их концентрации, Правомерность такого заключения сос 30 тоит в том, что температуропроводность является одной из основных характеристик теплопереноса, осуществление которого в материале происходит вследствие хаотического теп- З 5 лового движения атомов (или молекул) путем обмена энергией между колеблющимися атомами.В случае двухкомпонентной системы обмен энергией между основными атома ми происходит посредством примесных атомов, и чем больше концентрация атомов примеси, тем большее (или меньшее, а зависимости от соотношения теп лоемкостей основного материала и 45 приНеси) время по сравнению с однород ной средой происходит передача энергии в слое фиксированной толщины при равных порциях тепловой энергии. Время же прохождения тепла через 50 вещество характеризует его температуропроводность. Таким образом, определяя температуропроводность можно отождествить ее изменение с изменением концентрации диффузаита и при 55 последовательном снятии слоев полу-, чить зависимость, подобную концентрационной. 491 4Способ осуществляют следующим образом.Определяют температуропроводность исследуемого образца (представляющего собой, например, плоский обра зец с диффузионным покрытием) в направлении диФфузии, например, импульсным методом, пропуская зондирующий тепловой импульс в указанном направлении, чередуют эту операцию со снятием параллельных слоев контролируемой толщины, перпендикулярных этому направлению, до полного прохождения диффузионной зоны. Изменение температуропроводности образца отождествляют с изменением концентра. ции диффузанта и по этим данным судят о его подвижности в основном материале, определяя коэффициент диффузии на основании получаемой концентрационной кривой по формуле (1) .Способ осуществляют следующим образом.Проверку способа проводят на трех группах предварительно подготовленных образцов из армко-железа диа" метром 10 мм и толщиной 2 ьи.Поверхность образцов соответствующих групп насыщают путем диффузионного изотермического отжига (при Т = 1173 С, в течение 8 ч) легирующимОэлементом первой группы - обычным углеродом, второй - радиоактивным изотопом С и третьей - бором.ЯПосле насыщения образцы второй группы исследуют способом радиоактив. ных изотопов. Коэффициент дифФузии, вычисленный в результате исследований этой группы образцов, составляет П,= 9,22 10 Всм 1 с.К обратной насыщенной углеродом поверхности образца из первой группы приваривают хромель"алюмелевую термо. пару, свободные концы которой подключают через усилитель постоянного тока к входу запоминающего осциллографа типа С 8-13, синхронизированному от источника теплового импульса. В качестве источника теплового импульса используют рубиновый оптический квантовый генератор с энерг ей вимпульс 2 Дж и длительностью 1 мс,излучение от которого, предварительно сформированное с помощью телескопической системы до поперечных размеров образца, направляют по нор мали на его насыщенную углеродом по. верхность.Составитель А, КащеевРедактор О.Черниченко Техред Т.фанта Корректор М. Леонтюк Заказ 7187/26 Тираж 822ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Подписное Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул, Проектная, 4 3Температуропроводность образца в направлении прохождения теплового импульса определяют расчетом по параметрам, получаемым из записанной на экране осциллографа информации об изменении температуры на обратной ненасыщенной углеродом поверхности об разца. После каждого измерения производят снятие слоя толщиной 1 + 1,5 мкм и снова определяют температуропроводность, чередуя эти операции до полного прохождения диффузионной эоны. По Формуле (1), используя в качестве Тизменение температуропроводности, вычисляют коэффициент диффузии. Его величина для этой серии измерений составляете =9, 15 10 8 см /с.Справочные данные для диффузии углерода в армко-железе при Т =1173 С дают О = 9, 1911 ОВсм-" /с, т.е. погрешность измерений обоими способами не превышает 25%,Аналогично исследованиям первой группы образцов исследуют диффузионную зону в образцах третьей группы, одну из поверхностей которых насыщают бором, не имеющим долгоживущего изотопа, Определенный с помощью предлагаемого способа коэфФициент диффузии в этом случае составляет 3,2 10" см /с.Предлагаемый способ определениякоэффициентов диффузии позволяет сдостаточной точностью (не хуже способа радиоактивных изотопов) и надежностью проводить диффузионныеисследования и определять коэффи- О циенты диффузии в любых материалах,не прибегая к радиоактивным изотопам. Это дает возможность, по сравнению с известным способом значительноснизить себестоимость проводимых 15 исследований, полностью обеспечитьбезопасность получения информации одиффузионной подвижности элементов,исключить радиоактивное загрязнениерабочего помещения и заражение об служивающего персонала. Кроме того, предлагаемый способможет найти применение в тех областях промышленности, где применяют 25 сварку, химико-термическую обработку,легирование и насыщение изделий другими элементами, а также в научныхисследованиях для изучения процессовдиффузии и окисления.