Wir wissen, dass Flüssigkeiten und Gase diffundieren können. Aber ist eine Diffusion auch für andere Metalle als Flüssigkeiten und Gase möglich? Lernen wir etwas über die Diffusion von Metallen.


Am 10. April 1912 prallte ein Schiff, das aus Southampton (England) auslief, auf einen Eisberg, spaltete dessen Rumpf in zwei Teile und sank. Der Protagonist dieser Tragödie, bei der 1.500 der 2.200 Passagiere mitsamt dem Schiff im Meer versanken, ist die berühmte Titanic. Was wäre passiert, wenn der Rumpf der Titanic damals stärker gewesen wäre? Es hätte wahrscheinlich keine Tragödie gegeben, einen Eisberg zu treffen und zu versinken, oder den Film „Titanic“ mit Leonardo DiCaprio in der Hauptrolle. Es ist schade, dass wir diesen Film, der ein Meisterwerk des Jahrhunderts bleibt, nicht sehen können. Wenn die Person, die den Rumpf der Titanic gebaut hat, jedoch besser über die „Verbreitung“ von Metall gewusst hätte, wäre die Titanic möglicherweise nicht gesunken.

Wenn wir an „Diffusion“ denken, denken wir meist an den Geruch von Parfüm, der sich in der Luft ausbreitet, oder an den Vorgang, bei dem ein Tropfen Tinte mit Wasser vermischt wird. Tatsächlich beschreiben einige Wörterbücher Diffusion als ein Phänomen, bei dem sich Moleküle aufgrund eines Dichte- oder Konzentrationsunterschieds in einem Gas oder einer Flüssigkeit von einem Ort hoher Konzentration oder Dichte zu einem Ort niedriger Konzentration ausbreiten. Andererseits scheinen Feststoffe wie Metalle und Kunststoffe hart zu sein und keine fließenden Flüssigkeiten wie Wasser oder Luft zu sein, sondern sind weit von einer Diffusion entfernt. Obwohl die Diffusion in Metallen nicht schnell genug ist, um gesehen zu werden, kommt sie häufig vor und spielt eine wichtige Rolle in unserem Leben. Stahlplatten, die in Automobilmotoren und -getrieben sowie in den Rümpfen von Flugzeugen und Schiffen verwendet werden, bestehen aus Legierung. Viele uns bekannte Metalle, sogar die Küchenutensilien aus Edelstahl, die in jeder Küche im ganzen Land zu finden sind, bestehen aus Legierungen und nicht aus reinen Metallen, um die Festigkeit zu erhöhen. Eine der am häufigsten verwendeten Methoden zur Herstellung dieser Legierung ist die „Diffusion“ von Metall.

Unter Metalldiffusion versteht man die Bewegung von Atomen durch die Grenzfläche zwischen zwei Materialien, wenn diese miteinander in Kontakt kommen. Es gibt zwei Hauptmechanismen für die Diffusion: Leerstellendiffusion und interstitielle Diffusion. Lassen Sie uns zunächst etwas über die Verbreitung von Leerständen lernen. Metalle sind eine Ansammlung von Atomen, die durch interatomare Metallbindungen miteinander verbunden sind. Egal wie glatt und voll ein Metall von außen erscheint, es gibt Hohlräume oder Poren. Leerstellendiffusion bedeutet, dass Atome durch diesen leeren Raum diffundieren. Wenn sich ein Metallatom in den leeren Raum daneben bewegt, wird die Stelle, an der sich das bewegte Atom befand, wieder leer, und das nächste Atom bewegt sich wieder in den leeren Raum und so weiter und so fort, es kommt zur Diffusion. Der zweite Mechanismus, die interstitielle Diffusion, ist ein Phänomen, das im Gegensatz zur vorherigen Leerstellendiffusion häufig bei Metallen mit großen Atomgrößenunterschieden auftritt. Dabei handelt es sich um eine Methode, bei der kleine Atome in den Raum zwischen größeren Atomen gelangen. Die Diffusionsgeschwindigkeit ist schneller als bei der Leerstellendiffusion, bei der die Wahrscheinlichkeit einer Bewegung gering ist, da die Anzahl der Leerräume (Poren) im Vergleich zur Anzahl der Atome klein ist. Wenn ein Raum fast mit Golfbällen und Tischtennisbällen ähnlicher Größe gefüllt ist, spricht man von Leerstandsdiffusion. Wenn ein Raum mit Bowling- und Tischtennisbällen unterschiedlicher Größe gefüllt ist, spricht man von interstitieller Diffusion. Stellen Sie sich vor, wie sich die Kugeln in jeder Situation bewegen. Interstitielle Diffusion, die zwischen Atomen mit großen Größenunterschieden auftritt, findet hauptsächlich an der Grenzfläche zwischen Gas und Feststoff statt.

Diffusion ist ein Phänomen, das von der Zeit beeinflusst wird. Daher kann das im Laufe der Zeit auftretende Phänomen in zwei Fälle unterteilt werden: stationäre Diffusion und instationäre Diffusion. Der Faktor, der die stationäre Diffusion von der instationären Diffusion unterscheidet, ist der Diffusionsfluss. Hier bezieht sich der Diffusionsfluss auf das Ausmaß der Diffusion von Masse pro Zeiteinheit und Flächeneinheit in der Richtung senkrecht zur Grenzfläche zwischen Metallen und Metallen oder Metallen und Gasen. Gehen Sie davon aus, dass die Metalle A und B in Kontakt stehen. Wenn das Ausmaß der Bewegung der Atome von A in Richtung B und das Ausmaß der Bewegung der Atome von B in Richtung A im gleichen Zeitraum gleich sind und die Summe der Diffusionsflüsse 0 wird, spricht man von stationärer Diffusion. Bei der Diffusion im stationären Zustand findet tatsächlich Diffusion statt, weil das Ausmaß der Bewegung der Atome in jede Richtung gleich ist, aber nach außen hin sieht es so aus, als würde keine Diffusion stattfinden. Im Gegenteil, die instationäre Diffusion bezieht sich auf die meisten Zustände, die wir am häufigsten sehen. Das Ausmaß der Diffusion von Atomen in eine Richtung ist dominant, sodass der Wert des Diffusionsflusses nicht 0 wird, selbst wenn das Ausmaß der Diffusion von Atomen in die entgegengesetzte Richtung berücksichtigt wird. Wenn sich beispielsweise die Atome von A mit einer Geschwindigkeit von 3 pro Zeiteinheit und Flächeneinheit in Richtung B bewegen und die Atome von B sich mit einer Geschwindigkeit von 5 in Richtung A bewegen, beträgt der Wert von Diffusion plus 2 in Richtung A. Und an der Oberfläche scheinen sich nur die Atome von B in Richtung A zu bewegen, jeweils zwei auf einmal.

Bisher haben wir gesehen, wie die Diffusion von Metallen erfolgt. Auf diese Weise bewegen sich Atome aktiv im Metall. Von Stahlplatten, die in großen Schiffen, Flugzeugen und Autos verwendet werden, bis hin zu Smartphone-Hüllen und Küchenutensilien, die im Alltag leicht zugänglich sind – Metalle sind ein wesentlicher Bestandteil unseres Lebens. Ist es nicht erstaunlich, dass sich ein scheinbar hartes und statisches Metall tatsächlich aktiv ausbreitet? Auch heute noch verbreiten sich Metalle ständig zu stärkeren und neuen Legierungen.