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Werkstofftechnik 1 - Mechanismen für einen Platzwechsel

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Werkstofftechnik 1

Mechanismen für einen Platzwechsel

Mechanismen für einen Platzwechsel

Im Rahmen der VolumenDiffusion in festen Körpern, lassen sich drei Mechanismen unterscheiden:

  1. Austauschmechanismus,
  2. Zwischengittermechanismus,
  3. Leerstellenmechanismus.

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Alle drei Mechanismen können anteilig bei der Volumendiffusion auftreten, wobei meist ein Mechanismus die anderen dominiert.

Austauschmechanismus

Liegt ein System vor, bei dem alle Gitterplätze belegt sind, so kann ein Platzwechsel nur stattfinden, wenn mindestens zwei Atome zeitgleich beteiligt sind. Da es aber bei einem direkten Austausch zwangsläufig zu einer Gitterverzerrung kommen muss, ist die notwendige Energie hierfür sehr hoch. Deshalb ist die Auftrittswahrscheinlichkeit für diesen Mechanismus sehr gering. Eine wesentlich höhere Auftrittswahrscheinlichkeit liegt vor, wenn nicht nur zwei Atome, sondern mindestens drei oder viele Atome im Rahmen einer Ringdiffusion den Platz wechseln.

Austauschmechanismus (inkl. Ringdiffusion)
Austauschmechanismus (inkl. Ringdiffusion)

Zwischengittermechanismus

Bei diesem Mechanismus erfolgt der Austausch mit einer Diffusion über Zwischengitterplätze, vorausgesetzt 

  • die Ordnung der Zwischengitter ist ausreichend fehlerhaft oder
  • die Kristallstruktur weist ohnehin größere Zwischenräume auf. 

Besonderen Einfluss hat diese Zwischengitterplatzdiffusion bei Einlagerungsmischkristallen, wie sie häufig in Metallen mit C-, N- und H-Anteilen auftreten. Denn durch die kleinen Atomradien kann ein Platzwechsel ohne größere Gitterverzerrung des Metalls und schon bei besonders geringer Aktivierungsenergie $ Q $ ablaufen. 

Zwischengittermechanismus
Zwischengittermechanismus

Leerstellenmechanismus

Je nach Temperatur beinhaltet ein Kristall eine bestimmte Anzahl von Leerstellen, in welche benachbarte Atome einfach hinüberspringen können. Die hierzu notwendige Aktivierungsenergie muss durch die Ablösearbeit zur Verfügung gestellt werden. Nach jedem "Sprung" hinterlässt ein Atom eine neue Leerstelle, daher bewegen sich die Atome und die Leerstellen immer in entgegengesetzte Richtungen. Auch hier wird die Diffusion durch eine Temperaturerhöhung begünstigt, welche zum Einen die Schwingungsenergie der Atome und zum Anderen die Leerstellenkonzentration erhöht. Der Leerstellenmechanismus tritt besonders in reinen Metallen und kubisch-flächenzentrierten Gitterstrukturen auf. In Mehrkomponentensystemen ist der notwendige Energieaufwand für einen Platzwechsel über Leerstellen für jede Atomart unterschiedlich, dh. die partiellen Diffusionskoeffizienten sind verschieden $\ D_A \not= D_B \not= D_C .... $. 

Leerstellenmechanismus
Leerstellenmechanismus