E6 Atomdiffusion

Thema

Die Temperatur dieses Metalls bestimmt, gemäß der gleichen Arrhenius-Gleichung, die auch die Gleichgewichtskonzentration von Leerstellen in einem anderen Modell dieser Reihe beschreibt, den Diffusionskoeffizienten der Atome im Metallgitter. Tatsächlich ermöglichen diese Leerstellen einem benachbarten Atom, von seinem Gitterplatz auf den angrenzenden leeren Platz zu springen. Je höher die Temperatur des Metalls, desto mehr Leerstellen sind vorhanden und desto mehr thermische Energie steht jedem Atom für diesen Sprung zur Verfügung. Daher führt eine höhere Temperatur dieses Metalls gemäß der Arrhenius-Gleichung auch zu einem höheren Diffusionskoeffizienten.

Derselbe Diffusionskoeffizient beschreibt gemäß dem zweiten Fickschen Gesetz, wie sich die Konzentration eines gelösten Stoffes in diesem Metall räumlich und zeitlich verändert, wenn diese Konzentration nicht homogen ist. Das zweite Ficksche Gesetz beschreibt, wie sich die Konzentration des gelösten Stoffes an einem beliebigen Punkt in diesem Metall mit der Zeit proportional zur Krümmung des Konzentrationsprofils an diesem Punkt ändert und dabei jegliche Konzentrationsunterschiede schrittweise ausgleicht, bis Homogenität erreicht ist. Ein höherer Diffusionskoeffizient bedeutet, dass die Abflachung des Konzentrationsprofils gemäß dem zweiten Fickschen Gesetz schneller erfolgt.

Im speziellen Fall der halbunendlichen Diffusion, bei der sich das Metall an einer Oberfläche in Kontakt mit einer Lösungsquelle konstanter Konzentration befindet, wird das zweite Ficksche Gesetz mithilfe der Fehlerfunktion gelöst. Diese Fehlerfunktion beschreibt für jeden Punkt in einer bestimmten Tiefe unterhalb der Oberfläche und zu jedem Zeitpunkt, welcher Anteil der ursprünglichen Konzentrationsdifferenz bereits bis zu diesem Punkt diffundiert ist. Eine längere Zeitspanne bzw. ein höherer Diffusionskoeffizient bedeutet, dass der gelöste Stoff gemäß dieser Fehlerfunktion in derselben Zeit tiefer in das Metall diffundiert.

Dieses Modell mit seinem Diffusionskoeffizienten und dem zweiten Fickschen Gesetz beschreibt daher die Kinetik von vier weiteren Modellen dieses Modells: Abschrecken und Anlassen, Ausscheidung, Rekristallisation und Sintern des Metalls. Keiner dieser Prozesse könnte ohne diesen Diffusionskoeffizienten als Grundlage mit einer bestimmten Geschwindigkeit ablaufen. Darüber hinaus wird dieser Diffusionskoeffizient bereits von einem anderen Modell dieser Gruppe verwendet, um das diffusionskontrollierte Kriechen in diesem Metall zu beschreiben, und von einem weiteren Modell, um zu beschreiben, wie gelöster Wasserstoff die Spitze eines Risses erreicht. Daher ist dieses Modell in beiden Fällen die physikalische Grundlage, auf der diese beiden Modelle bereits beruhen.

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