Порошковое материаловедение. Часть 1. Основы теоретического материало

такого упорядоченного расположения примесных атомов внедрения вокруг линии дислокации называют атмосферой Снука.

Образование атмосферы Снука приводит к уменьшению подвижности дислокаций, что означает прежде всего увеличение предела текучести, причем температура на этот эффект влияет незначительно.

Атмосфера Сузуки. В ГЦК-металлах дислокации могут расщепляться на частичные с дефектом упаковки между ними, имеющим чередование слоев, характерным для ГПУ-решетки.

Наличие областей с различными типами решетки приводит при высоких температурах к перераспределению между ними диффузионным путем атомов примесей. При этом средняя концентрация примесных или легирующих атомов в основном объеме с ГЦК-решеткой остается практически постоянной, а меняется концентрация в дефекте упаковки растянутой дислокации. Изменяющаяся концентрация инородных атомов в дефекте упаковки растянутой дислокации называется химическим взаимодействием, или атмосферой Сузуки.

Образование атмосферы Сузуки уменьшает энергию дефекта упаковки, что способствует увеличению ширины растянутой дислокации. Химическое взаимодействие Сузуки проявляется как при краевых, так и при винтовых дислокациях

вГЦК-решетке.

2.2.8.Взаимодействие дислокаций с вакансиями

имежузельными атомами

Поле напряжения краевой дислокации взаимодействует с полем упругих напряжений вакансий и межузельного атома. Межузельный атом притягивается к области гидростатического растяжения, а вакансия – к области гидростатического сжатия.

Вакансии и межузельные атомы, притянувшись к дислокации, могут быть поглощены дислокацией и полностью аннигилировать.

51

Для аннигиляции необходимо наличие на дислокации порога. При подходе вакансии к порогу он смещается на одно межатомное расстояние, а сама вакансия исчезает. При поглощении межузельного атома порог дислокации смещается на межатомное расстояние, противоположное смещению при захвате вакансии. Таким образом, пороги дислокации являются стоками для точечных дефектов.

Рис. 38. Этапы объединения вакансий Р с винтовой дислокацией АВ в геликоидальную дислокацию А’В’

Если скорость подхода вакансий и межузельных атомов к дислокации больше скорости исчезновения их на порогах, то эти дефекты могут образовать вокруг линии дислокации атмосферу типа коттрелловской примесной атмосферы. Притяжением вакансий к винтовой дислокации объясняют образование геликоидальных дислокаций, у которых линия дислокации закручена в весьма правильную спираль. Геометрия образования геликоидальной дислокации показана на рис. 38. Перестраивание прямолинейной винтовой дислокации в геликоидальную вследствие присоединения вакансий является переползанием

52

винтовой дислокации. У геликоидальной дислокации закручена сама линия дислокации, а вектор Бюргерса параллелен оси этой спирали и составляет разные углы с линией дислокации в разных ее участках.

2.2.9. Образование дислокаций

Механизм образования дислокаций – один из наименее изученных вопросов теории несовершенств кристаллической решетки. У исследователей нет единого мнения о механизме образования дислокаций. Дислокации могут образовываться разными способами. Рассмотрим шесть возможных механизмов их образования:

1)на фронте кристаллизации при зарождении кристаллов. Обычно кристаллы зарождаются на готовой подложке, которой могут служить включения, находящиеся в расплаве, или стенки изложницы. На поверхность подложек выходят винтовые дислокации, т.е. имеются готовые ступеньки, к которым могут присоединяться атомы из кристаллизирующегося расплава. Таким образом, винтовая дислокация из подложки как бы «прорастает» в образующийся кристалл. Кристалл, содержащий винтовую дислокацию, представляет собой атомную плоскость, закрученную по спирали;

2)в период кристаллизации в результате возникновения упругих напряжений в подложке и растущем кристалле из-за имеющегося всегда небольшого несоответствия решеток. Когда толщина растущего слоя достигает некоторой критической

величины, компенсация несоответствия решеток подложки и растущего кристалла становится энергетически устойчивой не только в результате упругой деформации по всей поверхности сопряжения двух решеток, но и в результате возникновения дислокаций. Такие дислокации называются структурными, эпитаксиальными или дислокациями несоответствия;

53

3) в период кристаллизации из-за сегрегации примесей смежных слоев разного состава с различными межатомными расстояниями возникают упругие напряжения. При определенной разнице в межатомных расстояниях соседних слоев энергетически выгодным может стать их сопряжение путем воз-

ваться и давать краевые дислокации с векторами Бюргерса, нормальными к плоскости диска. Дислокации при конденсации вакансии могут образовываться не только при охлаждении закристаллизованного металла, но и при закалке его с высоких температур;

6) дислокации зарождаются при охлаждении металла из-за разного термического сжатия кристалла и включения, на их

54

поверхности раздела могут возникнуть упругие напряжения, достаточные для самопроизвольного зарождения дислокационных петель.

2.2.10. Границы зерен и субзерен

Границей зерен, субзерен называют поверхность, по обе стороны от которой кристаллические решетки различаются пространственной ориентацией. Границы с разориентацией соседних зерен менее ~ 10º относятся к малоугловым, а с большой – к высокоугловым. Малоугловые границы образованы системами дислокаций. Два соседних зерна или субзерна симметрично наклонены по отношению к плоскости границы. Расстояние между дислокациями в стенке D, вектор Бюргерса их

и угол разориентировки зерен θ связаны следующим соотношением:

Чем больше угол разориентировки, тем меньше расстояние между дислокациями в стенке. К малоугловым, или дислокационным, относятся межзеренные границы с углом разориентировки не более 10 . Соседние субзерна внутри одного зерна обычно разориентированы на угол не более 1 . Поэтому все субзеренные (блочные) границы малоугловые.

Высокоугловыми чаще всего бывают границы зерен, выросших из разных центров при кристаллизации и фазовых превращениях в твердом состоянии. Границы зерен являются поверхностными дефектами решетки и представляют собой переходную область между двумя соседними зернами, имеющими различную ориентацию в пространстве. Если граница зерен

55

находится под небольшим углом к плотноупакованной плоскости в решетке, то она может иметь ступенчатое строение.

Список литературы к главе 2

1.Халл Д. Введение в дислокации. – М.: Атомиздат, 1968. – 280 с.

2.Фридель Ш. Дислокации: пер. с англ. – М.: Мир, 1987. – 627 с.

3.Дислокации и механические свойства кристаллов: пер.

сангл. [Сборник статей]. – М.: Изд-во иностр. лит., 1960. – 552 с.

4.Ван Флек Л. Теоретическое и прикладное материаловедение: пер. с англ. – М.: Атомиздат, 1975. – 472 с.

5.Новиков И.И. Кристаллические решетки металлов. – М.: Металлургия, 1968. – 180 с.

56

Глава 3 ОБРАЗОВАНИЕ И СТРУКТУРА ФАЗ

В соответствии с положениями термодинамики макроскопическая система будет устойчива, если обладает минимумом свободной энергии G:

где H – энтальпия; S – энтропия системы.

При возможности нахождения системы в нескольких состояниях устойчивым будет то из них, для которого свободная энергия минимальна, и фазовые превращения будут происходить в том случае, если они сопровождаются уменьшением свободной энергии системы.

внутренней энергии системы включает изменение кинетической и потенциальной энергий.

S – энтропия, вводится в термодинамике формально через понятие приведенного тепла:

S Q /T ,

1 В конденсированных системах изменение объема V при фазовых превращениях незначительно, т.е. H U.

57

где Q – тепло, полученное системой при обратимом измене-

нии ее состояния.

Для изотермического превращения изменение энтропии

В соответствии со вторым законом термодинамики самопроизвольный процесс в изолированной системе происходит, если энтропия возрастает.

Основной вклад в энтропию фазы вносят два типа неопределенностей: неопределенность атомных параметров – атомная (вибрационная) энтропия, и неопределенность электронных параметров – электронная энтропия. За исключением низких температур, распределение скоростей движения атомов описывается уравнением Больцмана и, таким образом, оно одинаково для всех фаз. Поэтому неопределенность значений скоростей движения атомов не влияет на относительную стабильность возможных фаз. А неопределенность позиций отдельных атомов связана с неопределенностью равновесных положений атомов и неопределенностью положения атомов относительно равновесных позиций. Неопределенность в равновесных положениях атомов обуславливает превращения типа порядок – беспорядок.

Примером таких структур может служить объемноцентрированная кубическая структура β-латуни. В этой структуре

энергия связи достигает максимума, когда каждый атом меди окружен только атомами цинка, а каждый атом цинка – только атомами меди.

Рассматривая неопределенность, связанную с положением атома относительно его равновесной позиции, можно ожидать, что чем рыхлее упаковка, тем выше будет атомная (вибрационная) энтропия.

Таким образом, надо ожидать образования плотноупакованных структур при низких температурах и рыхлых – при высоких.

58

Влияние вибрационной энтропии на фазовые превращения может быть рассмотрено на примере устойчивости β-фазы

сОЦК-структурой.

β-фазы с ОЦК-структурой характеризуются отношением

концентрации электронов к концентрации атомов, равным 3/2, и считается, что эти фазы стабилизируются зонами Бриллюэна. В действительности зоны Бриллюэна являются одним из стабилизирующих факторов, так как β-фаза не является устойчи-

вой при комнатной температуре, если она не стабилизирована упорядочением. Если упорядочения не происходит, то такие фазы при понижении температуры скачкообразно превращаются в более стабильные модификации. Таким видом перехода является мартенситное превращение, т.е. мы имеем примеры фазы, которая механически неустойчива при низких температурах, но при высоких стабилизируется энтропией.

Рис. 40. Интерпретация причин, приводящих к возникновению диаграмм, подобных изображенной на рис. 41

На рис. 40 схематически показана диаграмма свободных энергий. Вследствие аномально высокой вибрационной энтропии разупорядоченная β-фаза характеризуется свободной

59

энергией, которая с повышением температуры уменьшается быстрее, чем свободные энергии других фаз. Выше температуры T2 кривая свободной энергии β-фазы располагается ниже

общей касательной к кривым свободных энергий α - и γ-фаз. Следовательно, выше T2 β-фаза устойчива, а ниже T2 – неустойчива. Ниже некоторой температуры T0 ОЦК-фаза сущест-

вует только в упорядоченной форме. Если обозначить температуру, при которой разупорядоченная β-фаза становится меха-

нически неустойчивой, черезTm , то при Tm нижеT2 , как

показано на рис. 41, механическая нестабильность проявляется через мартенситное превращение, происходящее при резкой закалке. Причем закалка должна быть достаточно резкой для того, чтобы предотвратить растворение β-фазы в более ста-

бильных α - и γ-фазах.

Рис. 41. Типичный вид фазовой диаграммы, содержащей фазу, подобную β -латуни

60