5.Thermisch aktivierbare Prozesse. 5.Thermisch aktivierbare Prozesse

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1 5.1. Thermodynamische Betrachtung Zustand eines Systems Der Zustand eines Systems wird durch ihre Freie Energie G charakterisiert Zustandsänderungen im Festkörper laufen ab, um dessen Freie Energie G herabzusetzen Zustandsänderungen laufen über Zwischenstadien (metastabile Zustände) ab Sprung von einem metastabilen Zustand zum nächsten, benötigt Energie (Aktivierungsenergie) 5.1. Thermodynamische Betrachtung Bedeutung der Aktivierungsenergie lokale Energieübertragung an das System, um eine Energiebarriere zu überwinden Energieübertragung durch Verformung Energiereiche Partikel (Elektronen, Phononen,..) thermisch

2 5.1. Thermodynamische Betrachtung Typische thermisch aktivierbare Prozesse Diffusion (diffusion) Phasenumwandlungen (phase transitions) Erholung und Rekristallisation (recovery and recrystallization) Sintervorgänge (sinter processes) Kriechen (creep) Diffusion: thermisch aktiviert stattfindende Bewegung von Atomen, Ionen oder anderer Gitterbausteinen Elementarvorgang: durch thermische Fluktuationen bedingter Platzwechsel In homogenen Systemen ist die Diffusion ein statistischer Prozess (ungerichtet) Überlagerung einer gerichteten Driftbewegung bei Vorhandensein von Gradienten: Temperaturgradient Konzentrationsgradient chemische Diffusion Gradient eines elektrischen Feldes Elektromigration Spannungs- oder Verzerrungsfelder

3 Diffusion im Konzentrationsgradient Diffusionsmechanismen: Diffusion über Leerstellen

4 Diffusionsmechanismen: Diffusion über Zwischengitterplätze Diffusionsmechanismen: Ringtausch und Platzwechsel

5 5. Thermal Activated Processes Diffusion in Solids Diffusion und Aktivierungsenergie Diffusionsgesetzte Mathematische Gleichungen, die die Diffusionsgeschwindigkeit mit den physikalische Größen verbinden. 1. Fick sches Gesetz: - Teilchenstromdichte j ist so gerichtet, dass sie den Konzentrationsgradienten abbaut j = -D c - Der Diffusionskoeffizient D steuert die Geschwindigkeit der Diffusion

6 Diffusionsgesetzte 2. Fick sches Gesetz: - Stellt die zeitliche und räumliche Entwicklung des Konzentrationsgradientes dar Beispiel: Semiinfinite Medium D c =?c/?t Der Diffusionskoeffizient Es gibt vier essentielle Diffusionskoeffizienten: -Chemischer Diffusionskoeffizient D: beschreibt die Diffusion unter Einfluss eines Gradienten in der chemischen Zusammensetzung der Legierung. - Intrinsischer Diffusionskoeffizient D i : beschreibt die Diffusion jedes Elements in einem Multikomponentensystem - Selbstdiffusionskoeffizient D*: beschreibt die Diffusion unter Abwesenheit eines chemischen Potentials als die unkorrelierte Bewegung von Atomen - Tracerdiffusionskoeffizient D T : beschreibt die Migration markierter Atome durch das Material, in der es selbst eine Komponente ist

7 Verschiedene Typen von Diffusion Volumen-, Oberfläche- und Korngrenzendiffusion Der Beitrag jedes Typs hängt von Temperatur und Korngröße ab: - T : Grenzflächendiffusion (kleine Aktivierungsenergie) - T : Volumendiffusion - d : Grenzflächendiffusion Verschiedene Typen der Diffusion

8 Intrinsischer Diffusionskoeffizient 1929 Pfeil: Partikel in Stahl sind durch das Wachstum der Oxide in das Oxid gegraben. Prinzip des Wachstums von Oxidschichten: - Fe diffundiert schneller durch die Oxidschicht als O2 - Bildung einer Schicht in der O2 Oxidschicht-Grenzfläche Functional Materials Saarland University Beispiel: Bildung einer Oxidschicht in Ni-Legierungen Functional Materials Saarland University 8