Первый закон Фика характеризует массоперенос в зависимости от перепада концентрации растворенного вещества.

М= - D* dc/dx;

Где D = коэффициент диффузии , характеризует количество вещества в граммах или молях, , перемещающегося через единицу площади за единицу времени, при градиенте концентрации-

dc/ dx (; dc –разность концентраций; dx – расстояние, на котором возник градиент концентрации. Знак минус показывает, что диффузия идет в направлении уменьшения dc/dx.

Коэффициент диффузии – очень важный показатель данного процесса. При определенной температуре он зависит от природы растворителя и растворенного вещества. Особенно сильно он зависит от температуре:

D= Do e ^–Q/(RT) , где Do – предэкспоненциальный множитель (зависит от типа кристаллической решетки); Q – энергия активации (зависит от энергии связи диффундирующего атома в решетке растворителя); R- газовая постоянная; Т – температура.

По мере протекания процесса диффузии разность концентраций и соответственно градиент концентрации уменьшается.

Изменение градиента dc/dx со временем τ описывается вторым законом Фика:

dc/dx = - D d²c / d²x или

c _{x, τ}= c_o* [1 + (Ф x/2 √D* τ)],

Ф ( x/2 √D* τ) – функция Крампа, с_о –исходная концентрация.

Зная коэффициэнт диффузии D и продолжительность процесса τ пор выражению X ≈√ D* τ можно определить размер диффузионной зоны для данного элемента и растворителя.

Для формирования свойств сварных соединений сталей важнейшее значение имеет диффузионное перемещение углерода, водорода, серы, фосфора, железа, хрома, молибдена, алюминия и некоторых других.

В процессе диффузии перемещение атомов внедрения и замещения происходит по-разному, характеризуется различными энергетическими параметрами и протекает с разной скоростью.

Небольшие по размеру атомы внедрения значительно отличаются от параметров решетки и размеров атомов растворителя, они слабее удерживаются в своих положениях, чем атомы замещения.

Чем больше отличия атомов внедрения от растворителя, тем слабее он удерживается, соответственно меньше его энергия активации и больше скорость диффузии. (таблица1).

Таблица 1. Энергия активации диффузии различных элементов, дающих растворы внедрения в α –железе.

Для элементов, образующих растворы замещения, энергия активации зависит не только от соотношения размеров атомов и решетки, но и от возможности деформации (например сжатия) атома и др. (табл 2)

Таблица 2. Энергия активации диффузии различных элементов, дающих растворы замещения в γ-железе.

Энергия активации углерода и легирующих элементов в α-железе и γ-железе различна. Например, в α-железе энергия активации диффузии углерода меньше, а скорость диффузии больше.

Для сварных соединений существенно, что на границах зерен диффузионные процессы идут активнее, так как на них большая концентрация дефектов кристаллического строения. Состояние границ зерен для сварного соединения более значимо, чем для основного металла, так как швы обладают более крупными литыми кристаллами и выросшего зерна в околошовной зоне.

Скорость диффузии какого-либо элемента в легированной стали зависит от характера и степени ее легирования, так как диффундирующий атом взаимодействует с решеткой растворителя, а легирующие элементы искажают ее, деформируют, изменяют энергетическое состояние.