Атомные механизмыдиффузии и дефекты кристаллов

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 = n0e- Q / kT,
где Q - энергия активации диффузии,
k – постоянная Больцмана, n0 – константа.
Коэффициент диффузии D зависит от температуры кристалла по закону Аррениуса:
D = D0e- Q / kT
Энергия активации диффузии зависит как от энергии образования конкретного дефекта Ef , так и от энергии активации его миграции Em :
Q = Ef + Em .

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.

ТРУБОЧНАЯ ДИФФУЗИЯ
Этот термин обычно применяют при рассмотрении облегченной диффузии вдоль линейных дефектов в кристаллах – дислокаций.
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.