Концентрация газов, растворенных в твердом теле, зависит от его температуры, давления и типа кристаллической решетки. В металлах, для которых характерна гомополяр-ная металлическая связь между электроположительными атомами, зависимость растворимости от давления и температуры имеет следующий вид:

где п — число атомов в молекуле газа; Q_s — энергия активации при растворении; s₀ — постоянный коэффициент.

Знак «+» в формуле (2.29) характерен для газов, образующих с металлом химическое соединение, а знак «—» — для газов, образующих истинные растворы. Растворимость газов, образующих истинные растворы, с повышением температуры возрастает (Н₂ в Си, Fe и Ni), а образующих • химические соединения — уменьшается (Н₂ в Ti). Растворимость s, показанная на рис. 2.12, рассчитывается как отношение числа атомов водорода к числу атомов металла. Отметим также, что растворимость водорода в Ti значительно больше, чем в Ni, Fe и Си.

Зависимость растворимости газов в металлах от давления представляет собой степенную функцию с показателем степени 1/п. Это связано с тем, что газы растворяются в металлах в атомарном состоянии и перед растворением происходит диссоциация молекул на атомы. Например, для кислорода п—2, а реакция диссоциации имеет вид О₂+±0Ц-0.

По закону действующих масс, константа равновесия такой реакции К.с=Ро²/ра2′, Ро и рог—давления атомарного и молекулярного кислорода.

Очевидно, что

Растворимость газов в металлах пропорциональна давлению диссоциированного газа. Для двухатомных молекул это равносильно пропорциональности корню квадратному из давления газа над поверхностью металла.

В неметаллах, атомы кристаллической решетки которых связаны между собой ионной или ковалентной связью, растворение газов происходит в молекулярном состоянии. Образуются истинные растворы, и зависимость растворимости газов от температу-

пы и давления имеет вид

Значения постоянных so и Q_s, характеризующих растворимость основных газов в металлах и неметаллах, и значения растворимости $ приведены в табл. 2.8.

Таблица 2.8

Растворимость газов в твердых телах

Абсорбционный процесс растворения газов в твердых телах осуществляется за счет диффузии молекул газа в кристаллическую решетку или по границам зерен. Диффузионный поток пропорционален градиенту концентрации. Так как для стационарного газового потока через стенку толщиной 2/г градиент концентрации ds/dx=(si—Sz)/(2h), то

где q — число молекул, проходящих в единицу времени через единицу площади поперечного сечения в направлении оси х; D — коэффициент диффузии; $i и S2 — концентрации газа на границах стенки.

Коэффициенты, характеризующие диффузию газов в металле

Продолжение табл. 2.9

Подставляя в (2.32) выражение для D и s из (2.29), получим выражение для газопроницаемости металлов

При повышении температуры коэффициент D сильно возрастает:

Здесь Qd — энергия активации при диффузии; п — число атомов в молекуле газа для металлов, для неметаллов n=l; D_o — коэффициент пропорциональности, не зависящий от температуры.

Значения D_o и Q_D при диффузии газов в конструкционных материалах, приведенные в табл. 2.9, нужно рассматривать как приближенные в связи с тем, что на них влияют внутренние напряжения в материале. В тех случаях, когда диффузия происходит в основном по границам зерен и дефектам упаковки, необходимо дополнительно учитывать характер механической обработки, размеры и ориентацию кристаллов.

Таблица 2.9

где Ko=D_oSo — константа проницаемости.

Если градиент концентрации изменяется во времени, то в единице объема твердого тела происходит изменение концентрации

вещества, описываемое дифференциальным уравнением нестационарной диффузии