短路扩散

由于所需要的扩散激活能较小、因而扩散速度较快的固态原子扩散过程

短路扩散是指由于所需要的扩散激活能较小、因而扩散速度较快的固态原子扩散过程。包括表面扩散、晶界扩散和位错扩散等。短路扩散是晶体中主要的扩散机制。

简介

在多晶体中，扩散除在晶粒的点阵内部进行之外，还会沿着表面、界面、位错等缺陷部位进行，称后三种扩散为短路扩散。温度较低时，短路扩散起主要作用；温度较高时，点阵内部扩散起主要作用，这是由于点阵部分相对于晶界所占比例很高所致。温度较低且一定时，晶粒越细扩散系数越大，这是短路扩散在起作用。

在固体表面、界面和位错芯部位，由于缺陷密度较高，原子迁移率大而扩散激活能小。通常表面扩散激活能约为点阵扩散的自扩散系数的各向异性激活能的1/2以下；晶界扩散与位错扩散的激活能约为点阵扩散激活能的0.6～0.7。对于间隙固溶体，由于溶质原子尺寸较小，扩散相对较易，因而短路扩散激活能与点阵扩散激活能差别不大。

一般说来，表面扩散系数最大，其次是晶界扩散系数，而点阵扩散的体扩散系数最小。

类型

一、表面扩散

表面扩散在催化、腐蚀与氧化、粉末烧结、气相沉积、晶体生长、核燃料中的气泡迁移等方面均起重要的作用。

图8—47给出了表面扩散的一个简单例子。杂质原子以带状形式沉积在基体表面，杂质原子二维随机跳动的结果使沉积原子扩展至整个表面并趋向均匀分布。

对于金属表面的自扩散，其表面扩散激活能大约是蒸发热的2/3。对于金属表面所吸附的气体(例如氢、氧和氮)，表面扩散激活能大约是1mol吸附原子与表面之间结合能的1/5。表面扩散需要克服的势垒应该比原子完全从表面上脱离所需的能量要小些，这是完全合理的，因为原子在表面上的跳动是一种正好不足以引起蒸发的原子运动。

二、晶界扩散

通常采用示踪原子法观测晶界扩散现象。在试样表面涂以溶质或溶剂金属的放射性同位素的示踪原子，加热到一定温度并保温一定的时间。示踪原子由试样表面向晶粒与晶界内扩散，由于示踪原子沿晶界的扩散速度快于点阵扩散，因此示踪原子在晶界的浓度会高于在晶粒内，与此同时，沿晶界扩散的示踪原子又由晶界向其两侧的晶粒扩散。

晶界扩散具有结构敏感特性，在一定温度下，晶粒越小，晶界扩散越显著；晶界扩散与晶粒位相、晶界结构有关；晶界上杂质的偏析或淀析对晶界扩散均有影响。

晶界扩散深度与晶界两侧品粒间的位相差(用夹角臼表示)有关。θ角在10°～80°之间，晶界上的扩散深度大于晶粒内部，θ=45°时出现深度的最大值。这种变化是与晶界的结构密切相关的。

晶界扩散所起的作用因温度的高低差别很大。在较低的温度范围内，多晶体lnD与1/T直线关系的斜率为单晶体的1/2；但是在700℃以上，两条直线相遇，而后是单晶体直线的延长。这说明温度低时，晶界扩散激活能比晶内小得多，晶界扩散起重要作用；随着温度升高晶内的空位浓度逐渐增加，扩散速度加快，故占截面比例很小的晶界扩散，随温度的升高逐渐被晶内扩散所掩盖。

三、过饱和空位及位错的影响

高温急冷或经高能粒子辐照会在试样中产生过饱和空位。这些空位在运动中可能消失，也可能结合成“空位一溶质原子对”。空位一溶质原子对的迁移率比单个空位更大，因此对较低温度下的扩散起很大的作用，使扩散速率显著提高。

位错对扩散也有明显的影响。刃型位错的攀移要通过多余半原子面上的原子扩散来进行；在刃型位错应力场的作用下，溶质原子常常被吸引扩散到位错线的周围形成科垂尔气团；刃型位错线可看成是一条孔道，故原子的扩散可以通过刃型位错线较快地进行。理论计算沿刃型位错线的扩散激活能还不到完整晶体中扩散的一半，因此这种扩散也是短路扩散的一种。

还有许多其他因素会影响扩散，如外界压力、形变量大小及残余应力等。另外，温度梯度、应力梯度、电场梯度等都会影响扩散过程，这里不一一赘述。不过，所有这些因素均可归于化学位。

性质

扩散短路是指晶体中失去完整周期排列的区域，例如晶界、相界、位错和表面。它们具有以下共同性质：

(1)原子沿这些短路的扩散速率远大于在晶体内部的扩散速率。在晶内扩散可以忽略的温度区间内，往往已经可以探测到短路扩散。

(2)这些晶体缺陷与点缺陷、扩散原子和合金组元存在化学相互作用，因而扩散短路中的成分不同于晶体内部。

(3)扩散过程可能改变这些晶体缺陷的结构，例如使表面上突壁和扭折(kink)的密度发生变化以及扩散诱导晶界迁移等。

(4)在大部分情况下，扩散短路中的原子结构是不清楚的，偶尔得到一些低指数表面的知识，其原子结构也常常十分复杂。

(5)点缺陷在表面和晶界的性能(例如其形成能和运动能，与基体或其他缺陷的相互作用能等)尚未完全建立。

可见，从原子尺度来看，晶界、相界和位错的结构十分复杂，不同的场合(如取向、偏聚程度等)结构也不相同。试图用一种精确的方法处理这些问题是十分困难的。

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