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Diffusionskriechen ist ein Sammelbegriff für Mechanismen, bei denen kristalline Stoffe (Materialien aus Kristalle) verformen Dank an Diffusion von Stellenangebote ("Hohlräume" in Kristallgitter).^[1] Diffusionskriechen ist ein Mechanismus von Plastische Verformungd.h. das sich verformende Material bleibt kontinuierlich und bricht nicht, aber die Verformung ist irreversibel. Mehr als andere Deformationsmechanismen ist der Mechanismus stark abhängig von der Temperatur.

Prinzip

In der Natur gibt es keine Materialien mit perfekten Kristallstrukturen. Manchmal an Orten, an denen sich ein bestimmtes Teilchen normalerweise in einem Kristallgitter befindet, "fremde" Teilchen (Kontaminationen) oder Leerstellen Stellenangebote). Das werden Punktdefekte erwähnt. Eine Leerstelle kann sich durch ein Kristallgitter bewegen, wenn ein benachbartes Teilchen in die Kavität "springt", mit dem alten Fesseln kaputt und neue eingebaut. Damit ist die Leerstelle im Kristallgitter um einen Platz vorgerückt.^[2]

Energie wird benötigt, um Bindungen aufzubrechen. Deshalb können offene Stellen leichter verschoben werden, wenn die Temperatur ist größer. Normalerweise verteilen sich die Unvollkommenheiten gleichmäßig über den Kristall, gemäß der Fick .'sches Diffusionsgesetz. Dieses Gesetz wird beschrieben mit:

${displaystyle J_{x}=-D_{x}{frac {Delta C}{Delta x}}}$

Bei welchem J_X das Fluss ("Fluss") der Stellenangebote geht in Richtung X; d_X ein Diffusionskonstante in diese Richtung und ${displaystyle {frac {Delta C}{Delta x}}}$ der Unterschied in der Konzentration von Stellenangeboten in dieser Richtung. Dies gilt in alle drei Richtungen (x, y, z), für die Diffusion in y-Richtung kann X in der Formel zum Beispiel mit y vertauscht werden. Einfach ausgedrückt, verschieben sich die Leerstellen in die Richtung, in der weniger vorhanden sind, sodass sie gleichmäßig über den Kristall verteilt sind.

Wie ein Kristall unter einem Stromspannung angezeigt wird, werden neue Stellen auf der Seite angelegt, auf der die kleinste (komprimierend) Spannungszustand. Diese Schaffung neuer Leerstellen erzeugt einen Konzentrationsunterschied, so dass die Leerstellen beginnen, sich von der Seite senkrecht zur Richtung der kleinsten Belastung zu der Seite senkrecht zur Richtung der höchsten Belastung zu bewegen. Eine Bewegung von Leerstellen bedeutet eine umgekehrte Bewegung von Partikeln. Die Partikel bewegen sich daher von den Teilen im Kristall unter der größten Druckspannungsrichtung zu den Teilen im Kristall unter der geringsten Spannungsrichtung.^[3] Mit anderen Worten, die Partikel entfernen sich von dem Ort, an dem sie unter Druck stehen. Als Ergebnis wird der Kristall verzerren.

Arten des Diffusionskriechens

Die Verbreitung von Stellenangeboten kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Die Stellen können durch einen Kristall schneiden (in der Materialwissenschaften "Korn" genannt), wird dies zu Nabarro-Hering-Kriech erwähnt; oder einfach entlang der Korngrenzen bewegen, das heißt Coble kriechen.

Es ist auch möglich, dass gleichzeitig mit der Verformung der Kristalle durch Diffusionskriechen die Kristalle auch aneinander vorbeigleiten (Korngrenzengleiten). Die Diffusion kann dann zur Lösung von Volumenproblemen dienen. Dieser Verformungsmechanismus wird superplastisches Kriechen oder Kornfluss erwähnt.^[4] Diffusionskriechen kann auch Hand in Hand gehen mit Drucklösung (Englisch: Drucklösung). Tatsächlich ist die Drucklösung äquivalent zum Coble-Kriechen, außer dass die Bewegung der Partikel in a Lösung und nicht durch Kriechen am Rand des Kristallgitters.

Strömungsgleichungen

Jede plastische Verformung eines Materials kann mit einer Formel beschrieben werden, in der die Verformungsgeschwindigkeit von der Differenzspannung (σ), das Körnung (d) und ein Arrhenius-Gleichung (ein Aktivierungswert, der von der Temperatur und a Aktivierungsenergie):^[5]

${displaystyle {dot {epsilon}}=Ae^{frac {-Q}{RT}}{frac {sigma ^{n}}{d^{m}}}}$

A eine Diffusionskonstante darin ist; ${Displaystil {Punkt {Epsilon}}}$ die Verformungsgeschwindigkeit (Dehnungsrate); Q die Aktivierungsenergie; R das Gaskonstante ; t die Temperatur (in Kelvin) und d die (durchschnittliche) Korngröße. Die Exponenten nein und ich geben den Grad der Abhängigkeit von der aufgebrachten Spannung bzw. der Korngröße an. Die Werte für unterscheiden sich je nach Mechanismus ein, Q, nein und ich. Beim Diffusionskriechen, nein normalerweise ungefähr 1. Der Wert von ich kann von ungefähr 2 für Nabarro-Hering-Kriech bis ungefähr 3 für Coble-Kriech reichen. Das Coble-Kriechen reagiert daher empfindlicher auf die Korngröße des Materials: Materialien mit größeren Körnern/Kristallen sind durch Coble-Kriechen schwieriger zu verformen als Materialien mit kleineren Körnern.

Spuren von Diffusionskriechen

Es sind nur wenige mikroskalige Strukturen bekannt, die mit Sicherheit als Beweis für das Diffusionskriechen in kristallinen Materialien identifiziert werden können. Ein durch Diffusionskriechen verformter Werkstoff kann daher stark abgeflachte Körner (ein sogenanntes SPO). Wenn ein Material bekanntermaßen stark verformt ist, die Körner aber gleichdimensional geformt sind und keine Vorzugsrichtung in den Kristallgittern der Körner haben (sog. CPO) vorhanden ist, kann dies auf superplastisches Kriechen zurückzuführen sein.^[6] Unregelmäßige Korngrenzen in unter sehr hohen Temperaturen verformten Materialien können ebenfalls als Hinweis auf Diffusionskriechen angesehen werden.^[7]

Diffusionskriechen ist ein Mechanismus, durch den das Volumen der Kristalle wächst. Größere Körner können daher auch ein Hinweis darauf sein, dass in einer kristallinen Substanz ein Diffusionskriechen aufgetreten ist.

Siehe auch

• Schleich
• Verformung
• Diffusion
• Materialwissenschaften
• Versetzungskriechen