דיפוזיה

שטף הדיפוזיה

שטף הדיפוזיה מוגדר ככמות המסה או האטומים העוברת במנגנון דיפוזיוני דרך שטח חתך של מוצק, ביחידת זמן.

הידעת? על-מנת שתתרחש דיפוזיה צריך שלאטומי החומר תהיה מספיק אנרגיה על-מנת לפרק קשרים בין אטומים שכנים בסביבה. דיפוזיה יכולה להתרחש באופן טבעי בטבע וכן להיות מעשה ידי אדם (פיחמון, חינקון, חימצון). בדרך-כלל (אך לא תמיד) מריכוז גבוה לריכוז נמוך (במורד הריכוזי). קיימים מקרים נדירים בהם הדיפוזיה היא במעלה הריכוזים. בצמד דיפוזיוני העלאת הטמפרטורה תאיץ את תהליך הדיפוזיה בין החומרים.

סוגים שונים של חומרים עוברים טיפולים תרמיים על-מנת לשפר את תכונותיהם. התופעות המתרחשות במהלך הטיפול התרמי כמעט תמיד מעורבות בתהליך דיפוזיוני. תגובות רבות ותהליכים רבים דורשים מעבר של מסה (חומר) במצבי צבירה מוצק, נוזל וגז.

דיפוזיה עצמית היא תנועה של אטומי חומר טהור (יסוד), שבה כל האטומים זהים ונמצאים במבנה אחיד. ניתן לעקוב אחר תנועת האטומים באמצעות החדרת איזוטופים רדיואקטיביים.

הידעת? צמד דיפוזיה - אחת הדוגמאות הפשוטות ביותר להמחשת תופעת הדיפוזיה היא על ידי צמד דיפוזיה, המתרחש כאשר שתי מתכות נמצאות במגע זו עם זו.

מנגנוני דיפוזיה

דיפוזיה במצב מוצק מתרחשת במנגנון של היעדרויות ובמנגנון של חדירונים. דיפוזיה על-ידי תנועה בין אתרי חדירה, היא דיפוזיה מהירה הרבה יותר מאשר דיפוזיה עצמית המתרחשת על-ידי תנועת היעדרויות, זאת מאחר ואטומי החדירה הם קטנים יותר ולכן יכולים לנוע בקלות רבה יותר בתוך הסריג.

הידעת? דיפוזית העדרויות - מתרחשת כאשר אטום מתחלף עם אתר היעדרות. דיפוזיית היעדרויות תלויה בריכוז ההיעדרויות. ריכוז היעדרויות גבוה מתקיים בדרך-כלל בטמפרטורות גבוהות. הן דיפוזיה עצמית והן דיפוזיה של אי-ניקיונות מתרחשות באמצעות מנגנון של דיפוזיית היעדרויות. על-מנת שדיפוזיית היעדרויות תתקיים נדרש קודם כל שיהיו מספיק היעדרויות בחומר. הדיפוזיה של אטום לאתר היעדרות הינה קלה יותר מאשר מנגנון התחלפות עם אטום אחר.

הידעת? דיפוזית חדירונים - דיפוזית חדירונים מעורבת בתנועה של אי-ניקיונות (אטומים זרים) מאתר חדירה אחד למשנהו (אתר ריק). דיפוזיה על-ידי תנועה בין אתרי חדירה, היא דיפוזיה מהירה הרבה יותר מאשר דיפוזיה עצמית המתרחשת על-ידי תנועת היעדרויות, זאת מאחר ואטומי החדירה הם קטנים יותר ולכן יכולים לנוע בקלות רבה יותר בתוך הסריג.

הקשיית פני-שטח נועדה להקשות את המשטח החיצוני, מבלי לשנות את התכונות של פנים החומר (שישמור על גמישות נחוצה בעת עמידה בזעזועים). היא מבוצעת לשם מתן עמידה משופרת בשחיקה (ובבלאי), בחיכוך ובחדירת גופים זרים, אך בנוסף לכך היא גם עשויה לשפר את העמידה בהתעייפות,להגדיל את חוזק החלק, ולפעמים גם לשפר את העמידות בקורוזיה.

פיחמון

תהליך ההקשיה המקובל ביותר לפלדות דלות פחמן. מבוסס על יכולת הפלדה הרכה להמיס פחמן, כדי לקבל לאחר חיסום מוצר בעל שכבה חיצונית קשה, ופנים רך וצמיג. המשטח החיצוני של הפלדה והאזור הסמוך אליו מתעשרים בפחמן. ניתן לבצע את הטיפול הזה במגע עם חומרים שמכילים פחמן במצב מוצק, נוזל או גז. החדרת הפחמן לפני השטח של הפלדות נעשית בטמפרטורה שבה המבנה הגרעיני של הפלדות הוא אוסטניטי, שהנו בעל יכולת גבוהה להמסת הפחמן. הפיחמון הינו תהליך דיפוזיוני, לכן עומק הפחמון תלוי בטמפרטורה ובמשך זמןן התהליך. לאחר הטיפול מחממים את החלק לטמפרטורה האוסטניטית ומחסמים אותו. בתום התהליך נקבל חלק שפני השטח החיצונים שלו עמידים בשחיקה ואילו ליבת החלק תהיה רכה ועמידה בזעזועים.

הידעת? דוגמה לדיפוזיית חדירונים היא המקרה של ביצוע פיחמון (החדרת פחמן) או חינקון (החדרת חנקן) לפלדות. המנגנון הזה נפוץ בזיהומים כדוגמת מימן, פחמן, חנקן, חמצן, שהם אטומים מספיק קטנים על-מנת לחדור לאתרי חדירה.

לאחר תהליך הפיחמון מקובל לבצע תהליך הקרוי חיסום, בו מבצעים לחומר קירור מהיר על-מנת "להקפיא" אותו במצבו. תהליך הפיחמון משמש בתעשייה להקשיית פני-השטח החיצוניים של חלקים האמורים לעמוד הן בשחיקה והן בזעזועים, לדוגמה גלגלי שיניים. אנו מעוניינים שגלגל השיניים יהיה קשה מבחוץ, על-מנת שיעמוד בשחיקה, ומצד שני שיהיה משיך ורך מבפנים על-מנת שיוכל לעמוד בזעזועים.

הידעת? - הדיפוזיה תלויה בחמישה משתנים עיקריים: ריכוז חומר ראשוני בנפח, ריכוז חומר ראשוני בפני השטח, דיפוזיביות, זמן, טמפרטורה. בטמפ' גבוהות, ויברציות האטומים משפרות עוד יותר את קצב הדיפוזיה.

הידעת? הדיפוזיה במצב מוצק בחיי היום-יום:

• רכיבי מחשב - טרנזיסטורים: מיוצרים באמצעות דיפוזיה של זרחן (P) או בורון (B) לתוך אזורים מסוימים במצע הסיליקון.

• מנועי סילון (Jet Engines) - להבי הטורבינה ממוקמים באזורים החמים ביותר של מנוע הסילון. הלהבים נמצאים בתנועה בטמפרטורות מאוד גבוהות. הלהבים מתארכים במשך הזמן כתוצאה מדיפוזיית אטומים בכיוון תחתית הלהב. לכן לאחר זמן שירות ממושך יש צורך להחליף את הלהבים. על-מנת להקטין את הנזק משתמשים בחומרים בעלי קצב דיפוזיה עצמית נמוך.

• פתיתי שלג - במהלך תהליך ההתמצקות של פתיתי שלג, אטומי החומר המוצק אינם מצליחים למלא את החלל בצורה צפופה עקב חוסר מוביליות (דיפוזיה איטית), לכן נוצר המבנה הדנדריטי המסועף.

• חרבות סמוראים - על-מנת להקשות את החרבות ולהעלות את חוזקן מכניסים אל תוך הברזל אטומי פחמן בתהליך דיפוזיוני (פיחמון).

הידעת? דיפוזיה יכולה להיות על-פני השטח (משטחית), אל-תוך החומר (נפחית), ובגבולות הגרעין. האקטיבציה לדיפוזיה נפחית גדולה יותר מאשר אנרגיית האקטיבציה לדיפוזיה משטחית או לדיפוזיה בגבולות גרעין. לכן, האטומים ינועו במהירות הרבה יותר גדולה בגבולות הגרעין או על-פני השטח מאשר בנפח הגביש. צריך להשקיע יותר אנרגיה על-מנת לגרום לחומר לעבור דיפוזיה אל-תוך החומר (דיפוזיה נפחית).

בגבולות הגרעין הדיפוזיה מהירה יותר, זאת מאחר ונוכחות של נקעים, הנוטים להצטבר בגבולות הגרעין, מגבירה את קצב הדיפוזיה. לאורך גבולות הגרעין המבנה לא מתנהג כמו חומר גבישי, אלא יותר כמו חומר אמורפי, כלומר הדיפוזיה דומה יותר לדיפוזיה של אטומים בחומר נוזלי, לכן יותר קל לאטומים לנוע.

פאזות שונות - בפלדות דיפוזית פחמן אל תוך החומר היא איטית יותר בפאזה פריטית (אלפה) בעלת תא יחידה BCC מאשר בפאזה אוסטניטית (גמה) בעלת מבנה FCC. בדיפוזיה, אנרגיית האקטיבציה קשורה לאנרגיה הדרושה על-מנת להניע אטום מאתר אחד למשנהו.