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Selbstdiffusion Fremddiffusion Chemische Diffusion Diffusionsmechanismen über Zwi- schengit- terplätze über Leer- stellen.

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Präsentation zum Thema: "Selbstdiffusion Fremddiffusion Chemische Diffusion Diffusionsmechanismen über Zwi- schengit- terplätze über Leer- stellen."—  Präsentation transkript:

1 Selbstdiffusion Fremddiffusion Chemische Diffusion Diffusionsmechanismen über Zwi- schengit- terplätze über Leer- stellen

2 Selbstdiffusion in Metallen und Legierungen Metalle Legierungenamorphe Legierungen verdünnte Legierungen höhere Legierungen Metalle mit fcc (kfz)-Struktur Metalle mit bcc- (krz)-Struktur Au, Ag, Cu Ni, Al, -Fe Alkalimetalle Li, Na, K ausgepr. Krümmung Übergangsmet. -Eisen (Sonderstellung, unterhalb T C ferromagnetisch) mehr oder weniger ausgepr. Krümmung Emp. exper. Bef. für D 0 und Q kfz- Metalle Krz-Alkalimet. krz-Übergangsmet hdp-Metalle Diffusionsverh. kompl., als bei kfz-Struktur Arrh.-Bez. oftmals gekrümmt. Deshalb anormales Diff.-Verh. Modell von SANCHEZ und DE FONTAINE normales Diff.-Verh Berechnung von D A* AB (C B ) D A* AB (C B )= D A* A exp{b(C B )} D A* AB (C B )= D*(0)[1+b(C B )] schneller als Selbst-D in Fe langsamer als Interstitelle

3 Fremddiffusion in Metallen Diffusion v. Interstitiellen Leerstellenmechanismus Ultraschnelle Diffusion Gasatom< Metallatom andere Bindungsart Einbau auf Zwischengitterplätzen hohe Beweglichkeit Oktaederplätze Tetraederplätze Einsteinmodell Herleitung von S m =k ln(6D 0 /Zr 2 v) S m ist experimentell bestimmbar D 0 Vergleich mit Wert, der aus Elastizitätstheorie hergeleitet ist S m =ß Q/T m ß-Temperaturkoeff. d Schubmoduls Dk für C,N,O (Bsp. N in Fe-Cr) Messmethoden: Koester-Snoek magn. Ww Therm. Anal. Tracerschicht Sandwich Gorsky Diff v. H in Fe schneller als in Fl. Fünffrequenzenmodell kleine Atome diffundie- ren um viele Zehner- potenzen schneller rot : schnelldiff. Partner blau: zugehörige Matrixmetalle Herleitung von D= D 0 exp{-Q/RT} wobei D 0 =f( 0, 1, 2, 3, 4 ) 0, 0, Modell d. elektrost.Ww Thermodynamisches Modell nach Neumann Beispiel: Fremddiffusion in Cu Abhängkeit von Q von der Elektronenstruktur

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5 Fünffrequenzmodell Zahl der Fremdatome B so gering, dass sie isoliert betrachtet werden können. Matrixmatall ist A. 2 - Tracer-Fremdatom-B mit benachbarter Leerstelle 1 - Matrixatom A mit Leerstelle und Fremdatom als Nachbar (davon gibt es 4 im fcc-Gitter) 3 - Dissoziative Sprünge, lösen Leerstelle von Fremdatom (Zahl solcher Sprünge beträgt 7.) 4 - Assoziative Sprünge, die Leerstellen wieder in die Nachbarschaft des B-Atoms bringen 0 - Alle übrigen Sprünge außerhalb d. Komplexes Fremdatom-Leerstelle = z C  (z - Zahl d. nächsten Nachbarn) Die Sprungfrequenzen j = j0 exp (-H j m / RT) hängen von der Temperatur ab. H j m ist die Wanderungsenergie den jeweiligen Sprung und j0 berücksichtigt die Gitterschwin- gungsfrequenz und Entropien. D i0 und Q i hängen vom Korrelationsfaktor f i ab.

6 Kfz-Struktur- und Sprungfrequenzen

7 5-Frequenzen-Modell:Aus Diffusionsdaten für kfz-Metalle berechneten drei Frequenzverhältnisse (aus Heumann)

8 F = F( 0 / 4 ) berück- sichtigt, daß die Leerstelle nach einem 3 -Sprung über einen 4 -Sprung wieder in die Nachbarschaft des Fremdatoms gelangen kann. F = F( 0 / 4 ) für verschiedene Strukturen

9 Krz-Struktur- und Sprungfrequenzen ω 1 – Sprünge gibt es nicht !!!

10 Modell I : 4 = 4 = 6 = 0 und 3 = 3 Modell II : 4 / 3 = 4 / 3 = 4 / 3 (Ww beschränkt auf nN wie fcc) krz-Gitter: Frequenzverhältnisse und Korrelationsfaktoren in unendlich verdünnten binären Legierungen (aus Heumann)

11 Modell der elektrostatischen Wechselwirkung zwischen einer Leerstelle der Ladung -Z 1 e und der abge- schirmten Überschußladung ze=(Z 2 - Z 1 )e des Fremdatoms in stabiler und Sattelpunktspo- sition. (Lazarus / Le Claire) Theorien zur Abschätzung von Q für Metalle

12 Elektronenanordnung in den Elementen max. 2n 2 Elektronen auf Schale Ti Ni

13 110 Ti in Au Ni in Cu 8 Abhängigkeit der Aktivierungsener- gie der Fremddif- fusion in Au, Ag und Cu von der Elektronenstruk - tur

14 Aluminiumwerkstoffe Übersicht über aushärtbare (grün) und nichtaushärtbare (rot) Legierungen auf Al-Basis

15 Intermetallische Phasen in Al-Legierungen Al 8 Fe Mg 3 Si 6 Si Mn Fe Cu Mg Al 6 Mn Al 6 (Mn,Fe) Al 18 Mg 3 Mn 2 Al 3 Fe Al 3 (Fe,Mn) Al 2 Cu Al 2 (Cu,Fe) Mg 2 S i Al 12 Mn 3 Si Al 15 Mn 3 Si Al 2 Cu Mg (T) Al 6 Cu Mg 4 (S) Al 7 Cu 2 Fe Al 12 Fe 3 Si Al 5 Fe Si Al 8 Fe 2 Si Al 9 Fe 2 Si 2 Al 5 Cu 2 Mg 8 Si Al 8 Mg 5 Al 15 (Mn,Fe) 3 Si 2

16 C2: Mikrostrukturen und mechanisches Verhalten von sekundär erzeugten Aluminiumwerkstoffen nach Erstarrung, Umformung und Wärmebehandlung Fremddiffusion in Aluminium Mg

17 Fremddiffusion von Substitutionellen Fremddiffusionskoeffizienten liegen in der gleichen Größenord- nung wie die Selbstdiffusionskoeffizienten des Basismetalls. Auch D i0 und Q i sind denen der Selbsdiffusion vergleichbar. 0,1 D SD < D i < 10 D SD

18 Fremddiffusion von Substitutionselementen in Cu 0, , K Berechnung von Q für Ni in Cu

19 Ultraschnelle Diffusion In Metallen mit großen Gitter- abmessungen ( z.B. Blei ) dif- fundieren einige Fremdatom- arten 10³ bis 10 6 mal schneller als Selbstdiffusion: ultraschnelle Diffusion wenn der Atomradius des Fremdatoms < 0,8 Radius des Matrixatoms, sinkt Aktivie- rungsenergie Q auf etwa die Hälfte des Wertes der Selbst- diffusion ( kombinierte Zwi- schengitter - Leerstellendiffu- sion) Arrhenius -Darstellung der Fremddiff- usion für normal und anormal schnell diffundierende Partner in Blei

20 Periodensystem mit schnelldiffundierenden Partnern zugehörige Matrixmetalle Ir Pt Au Hg

21 Zur Historie der Diffusion in Metallen W.C. Roberts - Austen G. v. Hevesy u. A. Obrutsheva Phil. Trans Roy. Soc. A187, Nature 115, 674 (1925) 404 (1896)


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