Рис. 7.1. Основные механизмы диффузии
Процесс межузельной диффузии реализуется в два этапа. Начальное положение атома соответствует равновесному состоянию, определяемому минимальной энергией. При переходе в первое межузельное положение ему необходимо преодолеть значительный потенциальный барьер, но дальнейшее перемещение его в другое межузельное положение будет осуществляться при меньшей энергии активации.
Вакансионный механизм диффузии является основным для чистых металлов и твердых растворов замещения и заключается в перемещении атома из одного положения в другое в результате движения вакансий (рис. 7.1.г). Для осуществления этого механизма в кристаллической структуре должны присутствовать вакансии. Энергия активации в этом случае определяется энергетическими затратами, необходимыми для перескока атома в близлежащую вакансию.
При совершении элементарного вакансионного перемещения исходное и последующее положения атома геометрически эквивалентны, следовательно, они эквивалентны и энергетически. В связи с этим энергия активации вакансионного механизма диффузии принимает наименьшее значение по сравнению с другими механизмами, и такой механизм является наиболее вероятным, а наличие в любом кристалле равновесной концентрации вакансий облегчает образование диффузионного потока.
Комплексным механизмом диффузии является краудионный (рис. 7.1.д). Краудион (от английского слова crowdion – скопление) – это группа атомов, сжатая за счет наличия в ряду лишнего атома или присутствия атома с большим радиусом. Диффузия происходит благодаря небольшим смещениям атома ряда вдоль этого направления. Таким образом, перемещение при краудионном механизме диффузии сродни распространению волны: каждый атом перемещается мало, а возмущение распространяется быстро. Краудионный механизм также характеризуется относительно низкой энергией активации.
Независимо от механизма атомы при диффузии совершают скачки практически только на ближайшее расстояние (в соседнюю координатную сферу). Скачки на большие расстояния в плотноупакованных решетках мало вероятны. Исключение составляют слоистые структуры.
7.4. Роль дислокаций и границ зерен в диффузионных процессах
Представление об ускорении диффузии по дислокациям возникло главным образом в связи с многократно обнаруживаемым эффектом ускорения диффузии под влиянием пластической деформации. Экспериментальные исследования показывают, что коэффициент самодиффузии вдоль дислокации на несколько порядков больше, чем в кристаллической решетке, при этом относительный вклад диффузии вдоль дислокаций тем больше, чем ниже температура.
Дислокация представляет разрыв экстра атомарной плоскости, при этом саму плоскость разрыва можно в грубом приближении уподобить в виде вакансий выстроенных в ряд. Тогда диффузию вдоль дислокации можно рассматривать как перемещение диффузанта по узкому цилиндру, внутри которого коэффициент диффузии значительно превышает объемную. Суммарный коэффициент диффузии (D), объемный коэффициент диффузии (Dl) и коэффициент диффузии внутри дислокационного цилиндра (Dd) связаны теоретическим соотношением
(7.10)
где g – относительное время перемещения диффузанта внутри дислокационного цилиндра.
В хорошо отожженном материале роль дислокаций в диффузионном процессе незначительна, а в деформированных структурах она существенно влияет на общую диффузионную активность.
Границы зерен также активно влияют на скорость диффузионных процессов. Коэффициент пограничной диффузии на 3…4 порядка выше коэффициента объемной диффузии, а энергия активации меньше в два и более раза. Экспериментально-теоретические исследования показывают, что диффузионная плотность массового потока по границам зерен может на 4…5 порядков превышать плотность объемного потока.
Согласно модели Фишера-Уипла ширина диффузионной зоны при расположении границы зерна параллельно вектору плотности массового потока описывается выражением
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.