Diffusion in Metallen

Frontmatter

1. Einführung

Zusammenfassung

Bekanntlich laufen Diffusionsprozesse in allen drei Aggregatzuständen ab, jedoch in Feststoffen begreiflicherweise am langsamsten, da die Atome oder Moleküle meist relativ dicht gepackt sind und dem Festkörper eine gewisse Starrheit verleihen. Das dürfte der Hauptgrund sein, weshalb die Forschung sich erst relativ spät mit der Festkörperdiffusion befaßt hat. Hier sei hingewiesen auf eine Monographie von Jost, die sich mit der Diffusion in allen Aggregatzuständen befaßt und zwar in grundlegender Weise. Die letzte Auflage dieses beachtenswerten Werks mit dem Titel “Diffusion in Solids, Liquids and Gases” ist im Jahre 1969 erschienen.

Theodor Heumann, Helmut Mehrer

2. Ficksche Gleichungen und Lösungen

Zusammenfassung

Es gehört zu den elementaren Erkenntnissen, daß in einem System, in welchem örtliche Konzentrationsunterschiede vorliegen, ein Transport von Teilchen stattfindet mit dem Bestreben, die Konzentration auszugleichen. Dieser Materietransport wird allgemein als Diffusion bezeichnet. Er tritt grundsätzlich in jedem Aggregatzustand auf, ist aber von System zu System in der Regel sehr unterschiedlich. Eine quantitative Beschreibung geht auf Adolf Fick [1] zurück. Seine nach ihm benannte Gleichung hat für den Fall einer eindimensionalen Diffusionsrichtung die Form

$$ {J_i} = - {D_i}\frac{{\partial {c_i}}}{{\partial x}}$$

(2.1)

J _i gibt die Zahl der Teilchen oder Mole der Atomsorte i an, die pro Zeiteinheit (Sekunde) durch die Einheitsfläche (m²) in x-Richtung hindurchströmen. Dieser Teilchenstrom ist proportional zum Konzentrationsgefälle, wobei die Konzentration c, je nachdem ob die Stromdichte auf Einzelteilchen oder auf Mole bezogen wird, in Teilchen bzw. Mole pro Volumeneinheit (m³) anzugeben ist.

Theodor Heumann, Helmut Mehrer

3. Experimentelle Methoden

Zusammenfassung

Mit Rücksicht darauf, daß die Untersuchungen über die Diffusion in Metallen und Legierungen in den letzten Jahrzehnten sich vornehmlich auf die Volumendiffusion konzentrierten, sollen in diesem Abschnitt die Meßverfahren nur dieser Diffusionsart beschrieben werden. In den Kap. 8, 9 und 10 werden weitere spezielle Methoden vorgestellt.

Theodor Heumann, Helmut Mehrer

4. Gitterdefekte

Zusammenfassung

Der Platzwechsel der Atome in Metallen mit ihren dichtgepackten Atomlagen im Kristallgitter wird bekanntlich ermöglicht durch die Anwesenheit von Gitterbaufehlern. Dieser Abschnitt soll daher einen Überblick geben über die für die Diffusion wichtigen Defekte. Man unterscheidet punkt-, linien- und flächenförmige Baufehler. Unter den Punktdefekten spielen die Leerstellen eine herausragende Rolle. Auch auf Zwischengitterplätzen eingebaute Atome, insbesondere Fremdatome müssen in Betracht gezogen werden. Die linienförmigen Gitterfehler sind für die Diffusion in Versetzungen verantwortlich. Die flächenförmigen liegen der Diffusion in Kornbzw. Phasengrenzen und auf Oberflächen zugrunde.

Theodor Heumann, Helmut Mehrer

5. Theorie der Diffusion

Zusammenfassung

Um einen tieferen Einblick in den Ablauf von Diffusionsvorgängen zu gewinnen, vor allem auch um die Einflußgrößen der Diffusion aufzudecken, ist es zweckmäßig, den Teilchenstrom zu berechnen und die gewonnenen Ausdrücke sodann in die Form des 1. Fickschen Gesetzes zu bringen. Grundsätzlich bieten sich zwei Möglichkeiten dazu an. Die erste besteht darin, auf phänomenologisch thermodynamischem Wege die 1. Ficksche Gleichung abzuleiten. Die zweite basiert auf einer kinetisch-dynamischen Ableitung.

Theodor Heumann, Helmut Mehrer

6. Diffusion in Reinmetallen

Zusammenfassung

Im letzten Jahrzehnt sind unsere Kenntnisse über die Diffusion in Reinmetallen dank der verbesserten Meßtechnik unter Einsatz geeigneter radioaktiver Tracer sowie der weiter entwickelten theoretischen Grundlagen erheblich erweitert worden. Mit Hilfe der in Kapitel 5 eingehend erläuterten Zusammenhänge und Tatbestände soll in den folgenden Abschnitten das Diffusionsverhalten der Reinmetalle mit fcc, bcc und nicht kubischer Struktur behandelt werden. Dabei wird die Frage, wie weit in der üblichen Arrhenius-Darstellung Abweichungen von der Geradlinigkeit auftreten, eine wichtige Rolle spielen. In diesem Zusammenhang müssen neben der Temperaturabhängigkeit der Diffusionskoeffizienten auch die Massen- und Druckabhängigkeit erörtert werden.

Theodor Heumann, Helmut Mehrer

7. Diffusion in Legierungen

Zusammenfassung

Die Platzwechselvorgänge in Legierungen sind begreiflicherweise komplizierter als in Reinmetallen, da mehrere Teilchenarten am Diffusionsprozeß teilnehmen. Handelt es sich um Substitutionsmischkristalle, dann darf man davon ausgehen, daß der Platzwechselmechanismus der gleiche ist wie in Reinmetallen. Die an letzteren gewonnenen Erkenntnisse, siehe Kap.6, sollten demnach auch für Mischkristalle vom Substitutionstyp zutreffen.

Theodor Heumann, Helmut Mehrer

8. Diffusionsverhalten von Gasen und Kohlenstoff in Metallen

Zusammenfassung

Bei den hier gemeinten Gasen handelt es sich um Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff, die unter Normalbedingungen gasförmig und zweiatomig auftreten und erst aufgrund der schwachen van der Waalschen Kräfte bei relativ tiefen Temperaturen in den kondensierten Zustand übertreten. Diese Bindungskräfte sind erheblich geringer als die metallischen und völlig anderer Natur. Das macht verständlich, daß diese Stoffe in Metallen keine echten Gitterplätze einnehmen können. Substitutionsmischkristalle, die in den vorhergehenden Abschnitten eingehend behandelt worden sind, sind demnach nicht zu erwarten.

Theodor Heumann, Helmut Mehrer

9. Diffusion in Korngrenzen, Versetzungen und auf Oberflächen

Zusammenfassung

Im vorstehenden Kapitel 8 ist die Diffusion von Fremdatomen, insbesondere von Gasen, soweit diese über Zwischengitterplätze diffundieren, behandelt worden. Ihre Diffusionsgeschwindigkeit ist gegenüber derjenigen der Matrixatome oder substitutioneil gelöster Atome deutlich erhöht. Die in diesem Kapitel zu behandelnde erhöhte Diffusion wird in der Literatur auch als “Kurzschlußdiffusion” oder “short circuit diffusion” bezeichnet. Die zugehörigen Platzwechselprozesse sind durch Gitterbaufehler bedingt, die sich nicht im thermodynamischen Gleichgewicht wie die zuvor behandelten befinden. Gemeint sind Korngrenzen und Versetzungen, mit welchen metallische Systeme in der Regel behaftet sind. Vor allem metallische Werkstoffe sind durch solche Baufehler in besonderer Weise gekennzeichnet. Eine Behandlung der betreffenden Diffusionsart muß daher als unbedingt notwendig erachtet werden.

Theodor Heumann, Helmut Mehrer

10. Diffusion in amorphen metallischen Legierungen

Zusammenfassung

Das Studium der Diffusion in amorphen Legierungen, welche auch als metallische Gläser oder als glasartige Metalle bezeichnet werden, ist experimentell ein schwieriges Gebiet, auf dem erst in den letzten Jahren wesentliche Fortschritte erzielt wurden. Die Schwierigkeiten ergeben sich vor allem aus der Tatsache, daß die Diffusionszeiten und die Temperaturen durch die Notwendigkeit begrenzt sind, den Einsatz der Kristallisation zu vermeiden. Dies hat sehr kleine Diffusionswege zur Folge, die in der Größenordnung 100 nm liegen und 1 μm praktisch nie überschreiten.

Theodor Heumann, Helmut Mehrer

Erratum to: Diffusion in Legierungen

Theodor Heumann, Helmut Mehrer

Erratum to: Diffusionsverhalten von Gasen und Kohlenstoff in Metallen

Theodor Heumann, Helmut Mehrer

Erratum to: Diffusion in Korngrenzen, Versetzungen und auf Oberflächen

Theodor Heumann, Helmut Mehrer

Erratum to: Diffusion in amorphen metallischen Legierungen

Theodor Heumann, Helmut Mehrer

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