扩散的微观机制

扩散唯象理论没有考虑扩散原子的本性及扩散介质的结构,而宏的扩散机制主要有空位机制、间隙机制和交换机制等。一、换位机制置的方式进行扩散的，如图3.7。在纯金属或者置换固溶体中，有两个相邻的原子A和B，见图3.7(a)；这两个原子采取直接互换位置进行迁移，见图3.7(b)；当两个原子相互到达对方的位置后，迁移过程结束，见图3.7(c)。这种换位方式称为2-换位或称直出为了降低原子扩散的能垒，曾考虑有n个原子参与换位，如图na 位的原子是面心原子。图3.8(c)给出了体心立方结构中原子的形换位时原子经过的路径呈圆形，对称性比2-换位高，引起的点阵畸变小一些，扩散的能垒有所降低。a)面心立方3-换位(b)面心立方4-换位(c)体心立方4-应该指出，环形换位机制以及其他扩散机制只有在特定条件下才能发生，一般情况下它们仅仅是下面讲述的间隙扩散和空位扩散的补充。二、间隙机制间隙扩散机制适合于间隙固溶体中间隙原子的扩溶剂原子构成了固定的晶体点阵，而尺寸较小的间隙原子处在点阵的就意味着在任何一个子的扩散提供了必要奥氏体，当奥氏体达当 (b)是结构中(001)晶面上的原子排列。如果间隙原子由间隙1子处在间隙中心的平衡位置时(如1和2位置)，自由能最低，而处于两个相邻间隙的中间位置时，自由能最高。二者的自由能差就是原原子较小，间隙扩散激活能较小，扩散比较容易。三、空位机制空位扩散机制适合于纯金属的自扩散和置换固溶体中制也已被实验所证实。在置换固溶体中，由于溶质和溶剂原子的尺寸都较大，原子不太可能处在间隙中通过间隙进行扩散，而是通过空位温度下总存在高温度下在任有利3.11给出面心立方晶体中原子的扩散过程。图3.11(a)是 楚地反映出原子跳动时周围原子的相对位置变化。在原子从(100)面的位置3跳入(010)面的空位4的过程中，当迁移到画影线的面时，它要子通过0.73d的空隙，需要足够的能量去克服空隙周围原子的阻碍，子的尺寸越大，引起的点阵畸变越大，扩散激活能也越大。当原子通过空位扩散时，原子跳过自由能垒需要能量，形成空位也需要能量，然后将实验值与理论计算值加以对比看二者的吻合程度，从而做出合判断。图3.9面心立方晶体的八面体间隙及(001)晶面根据热力学观点,在绝对零度以上,晶体中总存在一定浓度的空位和空位相邻的原子很容易进入空位而使其原来占据的位置变为空位如此不断实现原子的迁移,即空位扩散。空位扩散不会引起晶格很大的畸变,所消耗的能量较小,因而较容易实现。有研究表明,双空位形成的能量更低,即所谓的双空位机制。空位机制是一种较常见的扩散ll前已公认空位机制是fcc金属中扩散的主要机制,在hcp、bcc金属以及离子化合物、氧化物中,它也起重要作用。在间隙固溶体中,溶质原子和溶剂原子的尺寸相差15%时,间隙扩散有可能发生。钛和铝的原子半径相差不大(分别为1145,1143),P.Mogilevsky,etal.认为,钛和铝在TiB2的扩散是按空位机制通过TiB2晶体中Ti的点阵位置所以C按空位机制扩散是不可能Ni3GaAs晶体结构特点计算出其间隙半径是Ni原子半径的017420世纪50年代,Zener为了解释Cu原子自扩散的试验结果,提出了环形交换机制。虽然环形交换比2个原子直接交换容易进行,但却需要晶体中若干个原子同时做有规则的运动,这在固态金属和合Ni原子在Ni表面的扩散行为,通过观察原子位置图,认为Ni在Ni(001)面上的扩散机制是原子交换扩散。齐利娟利用分子动力学子交换2种机制的扩散势垒,计算出原子交换机制下的扩散势垒要远远大于空位机制下的势垒。因此,交换机制多用来描述金属中原子G.L.Kellog用场离子显微镜研究了单个Pt原子和2~6个Pt原子簇在Rh(100)面上的扩散,认为原子和原子簇的扩散模型为点除上述扩散机制外,由于试验条件及已知理论的局限性,还存在一些更复杂的扩散机制尚未明确,有待进一步探索。另外,在金属和合金中