7. Диффузия. Первый и второй законы Фика. Глубина диффузионного слоя в зависимости от времени и температуры.

Вакансии оказывают незначительное влияние на плотность кристалла , объем, электросопротивление и т.д.. Однако наличие вакансий предопределяет возможность диффузии.

Диффузия – перемещения атомов на расстояния, превышающие параметры кристаллической решетки.

Если перемещения не связаны с изменением концентрации в отдельных объемах, то такой процесс называется самодиффузией. Диффузия, сопровождающаяся изменением концентрации, происходит в сплавах или металлах с повышенным содержанием примесей и называется гетеродиффузией.

Для осуществления акта диффузии атом должен преодолеть энергетический барьер, величину которого определяет энергия активации .

Механизмы диффузии для примесей типа замещения (при r_д.э./ r_ме> 0,59)

1. Механизм парного обмена, который заключается в том, что атом примеси и атом, находящийся в соседнем узле меняются местами

2. Механизм кольцевого обмена заключается в том, что одновременно меняются местами несколько атомов, в том числе, и атом примеси.

Эти два механизма диффузии требуют значительной энергии и являются маловероятными.

3. Основным же механизмом диффузии атомов примеси замещения является вакансионный механизм. Он заключается в том, что если вакансия окажется с атомом примеси рядом, то атом примеси сравнительно легко переместится в соседний свободный пустой узел.

Это равносильно перемещению вакансии в противоположном направлении. Поэтому при этом механизме направленному потоку атомов соответствует равновесный по величине и противоположный по направлению поток вакансий. При образовании твердых растворов внедрения (при r_д.э./ r_ме≤ 0,59) реализуется механизм диффузии по междоузлиям.

Первый закон Фика - основной закон диффузии : Диффузионный поток пропорционален градиенту концентрации.. Плотность потока вещества J [cm ^{− 2}s ^{− 1}] пропорциональна коэффициенту диффузии D [(cm²s ^{− 1})] и градиенту концентрации. dC D

J = D ---- = ------ * (C1-C2) , где

dx δ

J - диффузионный поток , D - коэффициент диффузии, Δ δ - толщина слоя , С1 и С2 - концентрация углерода на границах слоя.

Диффузионный поток (J) - количество вещества, продиффундировавшего в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению диффузии):

Движущая сила диффузии определяется градиентом химического потенциала (свободной энергии) диффундирующего элемента.

Второй закон Фика. Если концентрация изменяется во времени, то процесс диффузии описывается вторым законом Фика: Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации dС/ dt = D*d²С / dх

8. Дислокации. Геометрия и типы дислокаций. Вектор Бюргерса.

Дислокация – граница области незавершенного сдвига внутри кристалла

Дислокации бывают краевые, винтовые, смешанные, полные , многократные, частичные.

Представим себе, что в кристаллической решетке по каким – либо причинам (чаще всего под действием приложенной силы) появилась лишняя полуплоскость , так называемая экстраплоскость.

Экстраплоскость – неполная атомная плоскость (полуплоскость), обрывающаяся внутри кристалла. Край 3-3 такой плоскости образует линейный дефект (несовершенство) решетки, который называется краевой дислокацией.

Краевые дислокации представляют собой область искажений кристаллической решетки вокруг края экстраплоскости Если экстраплоскость образуется в верхней части кристалла то дислокацию называют положительной и обозначают ╧, а если в нижней – то отрицательной и обозначают Т. Различие между положительной и отрицательной чисто условное. Знак важен при анализе их взаимодействия. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного притягиваются, что приводит их к взаимному уничтожению.

Винтовая дислокация как и краевая, образована неполным сдвигом кристалла по плоскости Q . В отличие от краевой дислокации винтовая дислокация параллельна вектору сдвига. Если винтовая дислокация образована движение по часовой стрелке, ее называют правой, а против часовой стрелки – левой.

Краевая дислокация – дислокация, к линии которой ее вектор Бюргерса перпендикулярен.

Винтовая дислокация – дислокация, к линии которой ее вектор Бюргерса параллелен.

дислокация, кСмешанная дислокация линии которой ее вектор Бюргерса расположен под углом 0<α<90⁰.

Вокруг дислокаций создается поле искаженной кристаллической решетки.

Мерой искаженности решетки является вектор

Бюргерса, характеризующий энергию дислокации и силы, действующие на нее

Если вокруг дислокации обвести контур АВСД, то участок ВС будет состояит из 6 отрезков, а участок АД – из 5. Разница ВС – АД = в, где в означает величину вектора Бюргерса.

Если контуром обвести несколько дислокаций, то величина его будет равна сумме векторов Бюргерса каждой дислокации

Способность к перемещению дислокаций связана с величиной вектора Бюргерса.

Вектор Бюргерса представляет собой разность параметров контуров вокруг центра дислокаций в реальной решетке, показывающую величину и направления сдвига в процессе скольжения.

Вектор Бюргерса – вектор, замыкающий контур (Бюргерса), проведенный вокруг дефектного участка в кристалле, характеризует геометрию и энергию дислокаций.