扩散的微观机制

扩散的微观机制扩散唯象理论没有考虑扩散原子的本性及扩散介质的结构,而宏观扩散现象是微观上大量原子迁移的统计行为。深入了解扩散本质需要了解扩散的微观机制。固态金属中原子的扩散机制一般与扩散原子在金属晶体中的位置和扩散介质的晶体结构有关。目前已发现并提出的扩散机制主要有空位机制、间隙机制和交换机制等。一、换位机制这是一种提出较早的扩散模型，该模型是通过相邻原子间直接调换位置的方式进行扩散的，如图3.7。在纯金属或者置换固溶体中，有两个相邻的原子A和B，见图3.7（a）；这两个原子采取直接互换位置进行迁移，见图3.7（b）；当两个原子相互到达对方的位置后，迁移过程结束，见图3.7（c）。这种换位方式称为2-换位或称直接换位。可以看出，原子在换位过程中，势必要推开周围原子以让出路径，结果引起很大的点阵膨胀畸变，原子按这种方式迁移的能垒太高，可能性不大，到目前为止尚未得到实验的证实。为了降低原子扩散的能垒，曾考虑有n个原子参与换位，如图3.8。这种换位方式称为n-换位或称环形换位。图3.8（a）和3.8（b）给出了面心立方结构中原子的3-换位和4-换位模型，参与换位的原子是面心原子。图3.8（c）给出了体心立方结构中原子的4-换位模型，它是由两个顶角和两个体心原子构成的换位环。由于环形换位时原子经过的路径呈圆形，对称性比2-换位高，引起的点阵畸变小一些，扩散的能垒有所降低。图3.7直接换位扩散模型图3.8环形换位扩散模型（a）面心立方3-换位（b）面心立方4-换位（c）体心立方4-换位应该指出，环形换位机制以及其他扩散机制只有在特定条件下才能发生，一般情况下它们仅仅是下面讲述的间隙扩散和空位扩散的补充。二、间隙机制间隙扩散机制适合于间隙固溶体中间隙原子的扩散，这一机制已被大量实验所证实。在间隙固溶体中，尺寸较大的溶剂原子构成了固定的晶体点阵，而尺寸较小的间隙原子处在点阵的间隙中。由于固溶体中间隙数目较多，而间隙原子数量又很少，这就意味着在任何一个间隙原子周围几乎都是间隙位置，这就为间隙原子的扩散提供了必要的结构条件。例如，碳固溶在γ-Fe中形成的奥氏体，当奥氏体达到最大溶解度时，平均每2.5个晶胞也只含有一个碳原子。这样，当某个间隙原子具有较高的能量时，就会从一个间隙位置跳向相邻的另一个间隙位置，从而发生了间隙原子的扩散。图3.9（a）给出了面心立方结构中八面体间隙中心的位置，图3.9（b）是结构中（001）晶面上的原子排列。如果间隙原子由间隙1跳向间隙2，必须同时推开沿途两侧的溶剂原子3和4，引起点阵畸变；当它正好迁移至3和4原子的中间位置时，引起的点阵畸变最大，畸变能也最大。畸变能构成了原子迁移的主要阻力。图3.10描述了间隙原子在跳动过程中原子的自由能随所处位置的变化。当原子处在间隙中心的平衡位置时（如1和2位置），自由能最低，而处于两个相邻间隙的中间位置时，自由能最高。二者的自由能差就是原子要跨越的自由能垒，，称为原子的扩散激活能。扩散激活能是原子扩散的阻力，只有原子的自由能高于扩散激活能，才能发生扩散。由于间隙原子较小，间隙扩散激活能较小，扩散比较容易。三、空位机制空位扩散机制适合于纯金属的自扩散和置换固溶体中原子的扩散，甚至在离子化合物和氧化物中也起主要作用，这种机制也已被实验所证实。在置换固溶体中，由于溶质和溶剂原子的尺寸都较大，原子不太可能处在间隙中通过间隙进行扩散，而是通过空位进行扩散的。空位扩散与晶体中的空位浓度有直接关系。晶体在一定温度下总存在一定数量的空位，温度越高，空位数量越多，因此在较高温度下在任一原子周围都有可能出现空位，这便为原子扩散创造了结构上的有利条件。图3.11给出面心立方晶体中原子的扩散过程。图3.11（a）是（111）面的原子排列，如果在该面上的位置4出现一个空位，则其近邻的位置3的原子就有可能跳入这个空位。图3.11（b）能更清楚地反映出原子跳动时周围原子的相对位置变化。在原子从（100）面的位置3跳入（010）面的空位4的过程中，当迁移到画影线的面时，它要同时推开包含1和2原子在内的4个近邻原子。如果原子直径为d，可以计算出1和2原子间的空隙是0.73d。因此，直径为d的原子通过0.73d的空隙，需要足够的能量去克服空隙周围原子的阻碍，并且引起空隙周围的局部点阵畸变。晶体结构越致密，或者扩散原子的尺寸越大，引起的点阵畸变越大，扩散激活能也越大。当原子通过空位扩散时，原子跳过自由能垒需要能量，形成空位也需要能量，使得空位扩散激活能比间隙扩散激活能大得多。衡量一种机制是否正确有多种方法，通常的方法是，先用实验测出原子的扩散激活能，然后将实验值与理论计算值加以对比看二者的吻合程度，从而做出合理的判断。图3.9面心立方晶体的八面体间隙及（001）晶面图3.10原子的自由能与位置之间的关系根据热力学观点,在绝对零度以上,晶体中总存在一定浓度的空位,和空位相邻的原子很容易进入空位而使其原来占据的位置变为空位,如此不断实现原子的迁移,即空位扩散。空位扩散不会引起晶格很大的畸变,所消耗的能量较小,因而较容易实现。有研究表明,双空位形成的能量更低,即所谓的双空位机制。空位机制是一种较常见的扩散机制,著名的Kirkendall效应为空位机制提供了有力的支持。目前已公认空位机制是fcc金属中扩散的主要机制,在hcp、bcc金属以及离子化合物、氧化物中,它也起重要作用。在间隙固溶体中,溶质原子和溶剂原子的尺寸相差15%时,间隙扩散有可能发生。钛和铝的原子半径相差不大(分别为1145,1143),P.Mogilevsky,etal.认为,钛和铝在TiB2的扩散是按空位机制通过TiB2晶体中Ti的点阵位置所以C按空位机制扩散是不可能的,唯一的扩散机制为间隙扩散。C.H.Jan,etal.根据T2Ni3GaAs晶体结构特点计算出其间隙半径是Ni原子半径的0174倍,并参照γ铁中碳的扩散机制推断出Ni为间隙扩散。且高温下,热运动导致Ga、As逃离非金属点阵位置而占据间隙位置,导致Ga、As为间隙扩散。陈松,等总结了有关Au/Sn扩散系数研究结果,给出Au/Sn扩散的有关数据,说明Au在Sn中是通过间隙机制进行扩散的。20世纪50年代,Zener为了解释Cu原子自扩散的试验结果,提出了环形交换机制。虽然环形交换比2个原子直接交换容易进行,但却需要晶体中若干个原子同时做有规则的运动,这在固态金属和合金中实现的概率是很小的。FuTsu2yi利用场离子显微镜研究了Ni原子在Ni表面的扩散行为,通过观察原子位置图,认为Ni在Ni(001)面上的扩散机制是原子交换扩散。齐利娟利用分子动力学方法中的静力学计算了Pd和Ag原子在Cu(100)面上以空位和原子交换2种机制的扩散势垒,计算出原子交换机制下的扩散势垒要远远大于空位机制下的势垒。因此,交换机制多用来描述金属中原子的自扩散。G.L.Kellog用场离子显微镜研究了单个Pt原子和2～6个Pt原子簇在Rh(100)面上的扩散,认为原子和原子簇的扩散模型为点对点跳跃机制。谢国锋,等用分子动力学方法对该扩散过程进行了模拟,分析了Gd吸附原子在Cu(001)、Cu(110)和Cu(111)面上的扩散机制,得出结论,在Cu(001)和Cu(111)表面,Gd原子通过跳跃机制进行扩散。除上述扩散机制外,由于试验条件及已知理论的局限性,还存在一些更复杂的扩散机制尚未明确,有待进一步探索。另外,在金属和合金中,原子的扩散有时并不是按单独的一种机制进行的,可能同时有2种或2种以上的机制同时起作用。Pd和Ag原子在Cu(100)面上的扩散以空位交换和原子交换2种机制同时作用,以空位扩散机制为主。LuXianghong,etal.通过分析晶体结构中的晶胞参数,得出碳原子通过反应层的扩散服从间隙扩散机制、硅原子的扩散为空位扩散机制的结论,而铜向奥氏体不锈钢的扩散是通过铜原子和铁原子的交换扩散、间隙扩散和空位扩散机制来实现的。