книги из ГПНТБ / Бокштейн, С. З. Диффузия и структура металлов

2—3 п о р я д к а ) . Влияние

р а с т я г и в а ю щ и х

н а п р я ж е н и й

сильнее при более низких

температурах и на

начальных-

тельно 'быстро.

Н о источник образования

дефектов-

(напряжений)

действует постоянно.

П р и этом не

ясно,-

почему внутренние объемы металла

остаются

вне

поля

О

2

4

6

Ô

10

12 â,%

Рис.

52.

Влияние

предварительной

пластиче­

ской

деформации

на диффузию олова

в объ­

еме

и по границам

зерна:

/ — холодная деформация; 2 — горячая

деформация

действия

н а п р я ж е н и й ,

если

только

не

допустить,

что

пластическая д е ф о р м а ц и я при

высоких

температурах

бы­

ла локализована п о границам зерен.

Д и ф ф у з и я под напряжением

в реальных

жаропроч ­

ных сплаваіх —многокомпонентных и

многофазных

мо­

жет приводить

к значительным

химическим

и ф а з о в ы й

изменениям г р а н и ц зерен и, в конечном счете,

существен­

но влиять на длительную прочность м а т е р и а л а .

Показано [191],

что

в процессе

•ползучести при

рас ­

тяжении с п л а в а

сул ѳ раллой

( № + 1 ' 6 % ,

С г + б ° / о А 1 + 4 % Т а )

•y'-фаза на страницах зерен, приблизительно

перпендику­

лярных

оси напряжений, растворяется;

на

параллельных

оси напряжения г р а н и ц а х о б ъ е м н а я

доля

ее

растет.

Та-

5(0.5)* Зак. 618

131

кого рода

нестабильность

упрочняющей

фазы

можно

объяснить

на

основе

теории

ползучести Херриніга — На-

б а р р о

[.102]. По этому

механизмуформоизмснемиеобраз -

ца

при

ползучести

обусловлено

диффузией

атомов or

с ж а т ы х

(«донорных»)

границ

к растянутым

(«акцеп­

т о р н ы м » ) . Так, при

растяжении

возникают

диффузион­

ные

потоки от границ,

п а р а л л е л ь н ы х

оси

приложенных

напряжений,

к перпендикулярным

границам .

Ползу­

честь однокоміпонентного м а т е р и а л а

определяется прос­

то

самодиффузией;

о д н а к о

д л я

многокомпонентных

оплавов картина усложняется . В диффузионных

потоках

преимущественно

представлены

атомы

определенных

компонентов

(в зависимости

от

коэффициента

диффузии

сплаве в диффузионном потоке представлены

в основ­

ном

атомы

Cr и л и 'Ni, их

концентрация у акцепторных

границ д о л ж н а расти. Эти

элементы являются

^стаби ­

лизаторами,

поэтому 'содержание •у'-фазы у акцепторных

(растянутых)

«границ ц а д а е т , а

у д о н о р н ы х — р а с т е т ,

чго

и наблюдается экспериментально.

ТОПОГРАФИЯ ДИФФУЗИОННЫХ

потоков

ПО ГРАНИЦАМ ЗЕРЕН

Как уже известно, полное описание диффузии в реаль­

ном

металле

предусматривает

расчленение

коэффици­

ента диффузии на парциальные коэффициенты

по

де­

фектам структуры с учетом вида, плотности

и

топогра­

фии

дефектов. Такой подход к

исследованию

диффузи­

кие

трудности, поскольку локальные коэффициенты

диффузии определяют по количеству вещества,

перене­

сенного диффузионным потоком но дефектному

участ­

ку;

это количество, к а к правило, ничтожно и

обнару­

относительно невысоких температурак . Д л я

выяснения

картины диффузии .по «границам зерен

в реальных

усло­

виях эффективным

является

м е т о д

автор адиографии,

чувствительность

которого

весьма

высока,

особенно

электронномикроскопический

вариант

этого метода

[94].

ности,

от состояния кристаллической

решетки

на грани­

це раздела

фаз. Расчет, сделанный

Гилманом

примени­

тельно

к

никелевому оплаіву МАРМ-2О0, состоящему

когерентно

связанного

с

ним

интерметаллида

(у'-фа-

з ы ) , п о к а з а л ,

что основной

з а м е д л я ю щ и й

эффект

свя­

зан

с переходом дислокаций

через

границу

этих

.фаз.

Д и ф ф у з и я

по границе фаз имеет большое

значение

д л я

кинетики

фазовых

превращений,

поскольку

реак­

ция

происходит на поверхности

раздела

фаз.

•При этом обычно принимается, что кинетика

про­

цесса в целом

определяется

более

медленным

процес­

сом

диффузии,

а сама

реакция

н а

поверхности

раздела

протекает

так

быстро,

что

ее

влияние незначительно.

Следует заметать, что в ряде работ отмечается

влияние

на

начальной

стадии

диффузии

собственно

реакции.

Так, в работе

[179]

дано

описание

процеоса

диффузии

и реакции

на

поверхности

раздела,

учитывающее

кон­

станты реакции перехода

компонентов

1 и 2

из

а- в ß-

фазу. Расчет с помощью Э В М по предложенным

урав­

нениям

показал,

что

при

значениях

констант

~ Ю - 7 см/сек

и коэффициенте

диффузии

~ 1 0 -

1 0

с и 2 Х

Хсекг1 реакции на границе раздела на начальной

ста­

дии диффузионного эксперимента ( Ш 2 — 1 0 6

сек)

су­

щественно

влияют на

процесс

в целом.

Граница фаз, подобно

границе

зерен,

является од­

ним из в а ж н е й ш и х структурных элементов

металличес­

ких сплавов. Вероятно, на

границе

фаз,

к а к и

на грани­

це

зерен,

возможно

изменение

состояния

кристалличес­

кой решетки, скопление дефектов, 'химическая

сегрега­

ция; сопротивление

этой

области

диффузионному

пото­

ку

может

отличаться

от

сопротивления

самой

решетки.

чой поверхности

раздела .

Д л я последнего случая

воз­

можны два

варианта: ф а з а

вышла

из

недр

твердого

раствора

и

прошла р я д

промежуточных

состояний

(на­

пример, в

случае

старения алюминиевых

или никелевых

сплавов)

или обе

фазы

образовались

в

определенной

мере независимо

(например,

при эвтектоидном

превра­

щении аустенита

в с т а л и ) .

М о ж н о отменить еще

третью группу м е ж ф а з н ы х

по­

верхностей, отвечающих

случаю превращения одной

из

нарушениям на фазовой границе.

В ряде

случаев граница

фаз м о ж е т быть

описана с

помощью

дислокационной

модели, поскольку

избыточ­

ствительно,

в

работе

[ 193]

при

элѳктроиномикросколи-

ческоім

исследовании

эвтектик N i A l — C r и

N i A l — C r (Mo)

обнаружена

м е ж ф а з н а я

дислокационная

сетка и пока ­

зано,

что

с

уменьшением

несоответствия

дислокации

движутся с

м еж фаз ной

поверхности в матрицу, «расши­

ряя»

межфааную область .

На

рис.

57 п о к а з а н а

когерентная поверхность разде ­

ла фаз

(двумерное

сопряжение

кристаллографических

плоскостей

двух ф а з ,

связанных

взаимной

кристалло­

о

в

Рис. 57. Поверхность

раздела фаз:

а — когерентная; б — полукогерентная с

дислокационной структурой

В работе [48] теоретически рассмотрена

возмож­

ность дл я некогерентной границы ф а з

служить

источни­

ком или стоком вакансий, а в работе

[і29]

впервые

эк­

спериментально

показано, что граница

фаз

действитель­

но м о ж е т ібыть

источником вакансий .

Проведенные

на

системе AI—(Си

(1.2%

Си) эксперименты показали,

что

в условиях, близких

к равновесию, на

границе

фаз

а—

сия

вакансий в объеме

означает увеличение поверхнос­

ти

межфазной

границы

на

величину A 5 =

A S I A n B , где

AS[—поверхность

одного

атома, а Д/г„—избыточная

концентрация

вакансий .

Оказалось,

что

о < 5 Х

Х1'0~4 дж/см2

(5-103 эрг/см2),

что согласуется с литера­

турными

данными

( ~ 102 —103 эрг/см2)

и

подтверждает

предположение

о том, что

м е ж ф а з н а я

граница

может

являться

источником вакансий .

Таким

образом,

на

границе ф а з может

существовать

виях здесь возможно ускорение или замедление

диффу­

зионного переноса. Вместе с тем,

необходимо

отметить

принципиальную

разницу м е ж д у

фазовой

границей и

границей зерна.

Вторая ф а з а , как

правило,

существует

по фазовой

границе д о л ж е н

быть меньше, чем по грани­

цам зерен.

Однако наличие

фазовых границ м о ж е т вы­

няется структура, поверхностная энергия

и

свойства

фа­

зовой

границы.

В

табл .

12

приведены

некоторые

экспериментальные

результаты

измерения энергии

границ

между

фазами

по

сравнению

с энергией

границ

м е ж д у

кристаллами

на

основании

измерения

величины

двугранных

углов,

образованных

при пересечении

границ.

При этом углы

а,

ß, Y связаны

с энергиями

с%>

аау

и

оа$

соотноше­

нием

g ß y

аау

^

g gp-

sin a

sin

ß

sin

Y '

Т а б л и ц а

12

Энергия границ фаз и зерен

Поверхность между фазами

По сравнению!

с

энергией

границ зерен

(С)

Из таблицы

видно,

что

энергия границ

ф а з феррит-

цементит

почти

такая

ж е ,

к а к

энергия

границ зерен

феррита,

а энергия границ

фаз

феррит — аустенит су­

очень

мало .

іВ работе

[178] с использованием радиоактивных изо­

топов

были

получены некоторые опытные данные, непо­

средственно

свидетельствующие о влиянии границ ф а з

на процессы

самодиффузии

и диффузии . Д л я

исследова­

ния диффузии в магниевом

чугуне и баббите

Б83 приме-

нодисперсной

структурой исследуемые ф а з ы

[в

чугу­

н е — графит,

а в баббите — ß-фаза (SnSb)]

имели

раз­

соизмеримо с размерами

самих ф а з . В первом

случаенс -

следовали диффузию N i 6 3

в чугуне, во втором — само­

диффузию Sn

1 1 3 в баббите.

Сравнение

авторадиограмм и микроструктур

показало,

700°С диффундируют

предпочтительно

по

поверхности

раздела ф а з феррит — г р а ф и т

(темные

ободки на

авто­

радиограмме) . Кроме того, существует

и

диффузия в

объеме и по границам

зерен,

хотя в последнем

случае

менее отчетливо (рис. 58).

ному т а к ж е

из авторадиографических

опытов —

128

кдж/г-атом

(30600 кал/г-атом)

[136].

Эти опыты свидетельствуют

о весьма

высокой

диф­

взаимодействием фаз .

В этой связи

представляло интерес исследовать вли­

яние м е ж ф а з н о й

границы

для

случая,

когда выделяю­

щаяся фаза

более

дисперсна, т. е. на

разных стадиях

выделения.

Удобно

с этой

точки

зрения

исследовать тер­