Атомные механизмы диффузии и дефекты кристаллов ВЫПОЛНИЛА: Хорошильцева Оксана студентка 554 группы.

Диффузия процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой. Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Диффузия в кристаллах - это процесс, при котором атомы могут переходить из одного узла в другой. Автоионная микроскопия – это метод прямого наблюдения кристаллической решетки металлов и сплавов с атомарным разрешением.

Диффузионные процессы в твердых телах заметно зависят от структуры данного кристалла и от дефектов кристаллического строения. Дефекты, появляясь в веществе, или облегчают атомные перемещения, или затрудняют их, работая как ловушки для мигрирующих атомов.

Типы дефектов в кристаллах Вакансия Межузельный механизм диффузии Прыжковый механизм диффузии 1-вакансия; 2-межузельный атом; 3-дефект по Френкелю; 4-примесной атом замещения; 5-примесной атом внедрения; 6-атом замещения большой валентности

ДИФФУЗИЯ – ПРОЦЕСС СЛУЧАЙНЫХ БЛУЖДАНИЙ Первый закон Фика: Частота скачков атомов: n = n 0 e - Q / kT, где Q - энергия активации диффузии, k – постоянная Больцмана, n 0 – константа. Коэффициент диффузии D зависит от температуры кристалла по закону Аррениуса: D = D 0 e - Q / kT Энергия активации диффузии зависит как от энергии образования конкретного дефекта E f, так и от энергии активации его миграции E m : Q = E f + E m.

АТОМНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ДИФФУЗИИ Механизм обмена атомов местами; кольцевой механизм; механизм прямого перемещения атомов по междоузлиям; механизм непрямого перемещения межузельной конфигурации; краудионный механизм; вакансионный механизм; дивакансионный механизм; механизмы диффузии по дислокациям; механизмы диффузии по границам зерен в поликристаллах.

ВАКАНСИОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ Энергия активации миграции по вакансионному механизму для таких металлов, как медь, серебро, железо и т.п., равна приблизительно эВ (тот же порядок величины имеет и энергия образования вакансии ). Простейшим вакансионным кластером является объединение двух вакансий – бивакансия (2V ). Энергия, необходимая для такого перемещения, часто оказывается меньшей, чем одной вакансии.

МЕЖУЗЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ Появление межузельных атомов в кристаллах может быть обусловлено способом приготовления или эксплуатации материала. Межузельные атомы можно разделить в кристаллах на собственные и примесные (инородные) межузельные атомы. Инородные (примесные) атомы также в большинстве случаев образуют с собственными атомами гантели, но их называют смешанными. Изобилие межузельных конфигураций порождает изобилие механизмов миграции с помощью межузельных атомов.

Вакансия должна притягиваться в область сжатия над крайним атомным рядом лишней полуплоскости, а межузельный атом – в область расширения, расположенную снизу полуплоскости. Простейшие дислокации представляют собой дефект в виде незавершенной внутри кристалла атомной полуплоскости.

Диффузия по дефектным местам в кристаллах имеет специфические особенности. Прежде всего она идет более легко, чем диффузия по бездефектным механизмам. Но ее источники небезграничны: концентрации дефектов в процессе диффузии практически всегда убывают за счет аннигиляции разноименных дефектов, ухода дефектов на так называемые стоки. Но если концентрация дефектов велика, их роль в диффузии настолько возрастает, что приводит к так называемой ускоренной диффузии, ускоренным фазово-структурным превращениям в материалах, ускоренной ползучести материалов под нагрузкой и т.п. эффектам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Перечень механизмов миграции по дефектным местам в кристаллах постоянно пополняется по мере все более углубленного изучения дефектов кристаллического строения вещества. Включение того или иного механизма в процесс диффузии зависит от многих условий: от подвижности данного дефекта, его концентрации, температуры кристалла и других факторов.