Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

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

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

23.10.2023

Размер:

24.73 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415 / 2115 16 17 18 19 20 21 > Следующая >>>

чтобы в процессе опыта минимально нарушилась исход ная структура, з а д а н н а я термической обработкой. В качестве диффундирующего элемента был выбран ра диоактивный изотоп никеля N i 6 3 , .мягкое ß-излучение ко торого (Ешах=0,067 мэв) позволяет уловить изменение активности после диффузионного отжига в тонком по верхностном слое (порядка .нескольких микрон в ж е л е з е ) .

Влияние условий отпуска на коэффициент диффузии никеля в стали 45 после различных обработок, измерен ный абсорбционным методом, данниже .

	450'С,	680°С,	680СС,
	10 мин	10 мин	25 ч
Коэффициент диффузии D, см2х
Хсек - 1 - Ю 1 2	3	12	8
Средний размер частиц карбидов		3,4	5,6
d, мм-lQ* [181]	—	3,4	5,6
Величина D растет	с повышением	температуры отпу

ска в	4	раза и падает с увеличением его продолжитель
ности	в	1,5	раза . Така я	с л о ж н а я зависимость, вероятно,
объясняется			влиянием	двух факторов, действующих

в противоположных направлениях . В результате роста в процессе отпуска степени беспорядка на границах фаз должна возрастать скорость диффузии по границам, а увеличение размера карбидных частиц и соответственно уменьшение протяженности фазовой границы должно, наоборот, приводить к уменьшению диффузионного пото ка. В начальной стадии отпуска, очевидно, преобладает действие первого фактора — по мере повышения темпе

ратуры	отпуска (450	— 680°С) к а ж д а я		фаза	на	границе
раздела	приобретает	самостоятельность,		поверхностная
энергия	возрастает и	образуется	дислокационная			струк
тура. В соответствии с этим значения D растут. Затем с
увеличением продолжительности			изотермического			отпус
ка при высокой температуре определяющим					оказывается
действие второго фактора, и поток начинает					уменьшать
ся.

Кинетика диффузии по границам фаз должна, по-ви димому, зависеть не только от размера, но и от фор мы частиц второй фазы, так как структура и энергия фазовой границы могут быть различными. Соответству ющие исследования подтвердили это. Сопоставлялась скорость диффузии никеля в стали эвтектоидного состава (0,8% С) после обработки в одном случае на структуру

142

глобулярного цементита	( з а к а л к а	с температуры	800° С
и последующий отпуск при 650°С, 50 ч), в другом			— на
структуру пластинчатого	цементита	(отжиг с температу
ры 8 0 0 ° С ) .

Коэффициенты диффузии определяли с помощью аб сорбционного метода. Оказалось, что в случае пластин чатого цементита D в исследованном интервале темпе ратур (500—650°С) примерно в 2 раза больше, чем в случае зернистого цементита, а энергия активации ниже:


134,4	кдж/г-атом	(32000кал/г-атом)		против		163,8 кдж/
г-атом	(39000 кал/г-атом).		Следует	отметить,			что	плас
тинчатой форме		частиц отвечает т а к ж е			меньшее			значе
ние предэкспоненциальпого			множителя		( 4 , 1	- Ю - 3		против
7 , 9 - Ю - 2 см2-сек~!),		что подчеркивает		роль структурного
фактора: возможно, что на			границе	выделений			пластин

чатой ф о р м ы плотность дефектов выше, чем на границе выделений зернистой формы. Однако полученные ре зультаты могут быть объяснены просто более высокой

протяженностью	фазовой		границы	в пластинчатом		пер
лите. Этот вопрос совсем			не изучен	и заслуживает		спе
циального исследования.
Анализируя	данные	по	оценке влияния		м е ж ф а з н о й
границы на диффузию		N i в термически			обработанной

стали, следует учесть, что они получены для диффузии при довольно низких температурах (500^—700°С), когда вклад граничной диффузии в общий диффузионный по ток велик. Так как энергии активации объемной, гранич

ной и межфазной диффузии разнятся, в	определенном
температурном интервале относительный	в к л а д м е ж ф а з

ной диффузии м о ж е т быть больше. Выяснить это можно, повышая температуру диффузионного нагрева, посколь ку значение объемной диффузии и, возможно, межфазной по сравнению с зернотраничной диффузией воз растает. В соответствии с указанным провели ис-

ледование	диффузии в	железоуглеродистых сплавах
с 1,0; 1,5	и 3,0% С в интервале температур		700—1100°С.
Предполагалось выявить		влияние фазовой	границы при

сопоставлении диффузионной подвижности в однофаз ной аустенитной (1,0—1,5% С) и аустенито-цементитной области (1,5—3,0% С) в соответствующем температур ном интервале (см. д и а г р а м м у состояния железо — уг лерод) . Характерные результаты были іполучены при 950°С. Увеличение содержания углерода с 1,0 до 1,5%

143

В одной из		последних	работ	[194]	показано, что в
сплавах Ni—Cr		и N i — M o при температурах, отвечающих
максимуму	межфазной		поверхности,			коэффициенты
диффузии	резко растут и обнаруживается					сверхпластич
ность.
Вместе	с тем возможны случаи, когда					диффузия по
границам	пластин данной		фазы	идет	д а ж е медленнее,

чем в объеме зерна, например диффузия никеля по лраницам пластин а -фазы в титане после ß -> а-превраще- ния [183]. Измерение плотности почернения авторадио

грамм, полученных с косых срезов	после медленного ох
л а ж д е н и я титанового сплава ВТ5,	шоказало, что коэф

фициент диффузии никеля по границам а-пластин в 3,5 раза меньше, чем по объему кристалла, а после допол

нительного нагрева в а-области		(800°С) DrV)/D0Q — l/3Q.
Такое необычное	отношение коэффициентов диффузии
по границам пластин	и в объеме	связано вероятно, с

•особенностями строения межпластиночной границы в ти тановых сплавах. В результате ß -» а -превращения здесь, как показали рентгеновские, электронномикроскопические и металлографические исследования, возникают стабильные дислокационные образования, подобные границам полигонизованной структуры с очень малой разориентировкой —^2,9-10~3 —8,7-Ю- 3 рад (10—30'). К а к указывалось ранее, преимущественная диффузия по границам зерен зависит от их взаимной ориентации и угасает с уменьшением степени разориентировки. Кроме


того, авторадиографические,							микрорентгеноспектральные,
а т а к ж е		электронномикроскопические						исследования			по
казали,		что в		результате		полиморфного			превращения в
титане	наблюдается резкая						сегрегация		примесей;		гра
ницы	пластин			представляют			собой	довольно		широкие
области		от	0,1	до	3 мкм,	сильно обогащенные				примеся
ми. Б о л ь ш а я				стабильность дефектов				и	сильная	сегрега
ция примесей на поверхности раздела пластин										понижа
ют диффузионную					подвижность и уменьшают					пластич
ность металла . Поэтому разрушение титановых										сплавов
при повышенных					температурах происходит обычно по
границам			а-пластин.

146

Г л а в а IV

Д И Ф Ф У З И Я В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ

СТРУКТУРА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Состояние поверхностного слоя -существенно	зависит
от подвижности атомов и структурных дефектов	в нем.
Свойства атомов на поверхности в мономолекуляр
ном слое вследствие н е к о м п е н с и р о в а н н ы х связей	(малое

координационное 'число) отличаются от свойств атомов

внутри кристалла . Из - за менее

совершенного

строения

решетки

зарождение

стр-ук-турных

дефектов

(дислока

ций

и вакансий)

перемещение

атомов требуют

мень

ших энергетических

затрат .

Следует ожидать

(об этом

свидетельствуют

многие

экспериментальные

данные),

что на поверхности

метал

ла имеется очень

подвижный

слой

атомов.

Никерсон

Паркер

с помощью

радиоактивных

изотопов

получили

значение

энергии

активации

поверхностной

самодиффу

зии

(<2ш>в) серебра в

интервале

температур

225—350°С,

равное 43 кдж/г-атом

(10300 кал/г-атом.)

(против

Qrp~

= 85

кдж/г-атом ' (20300

кал/г-атом)

Q0 6 = 184

кдж/г-

атом

(44000 кал/г-атом).

Соответствующие

значения

д л я самодиффузии никеля: 54,5—58,5; 109 и 267

кдж/г-

атом

(13000—14000;

260О0 и 64000 кал/г-атом)

[74, 61];

д л я

диффузии

тория

вольфраме — 267,

376

500 кдж/г-атом (64000, 90О00

и 120000

кал/г-атом).

Характерный дл я параметров поверхностной диффу зии большой разброс экспериментальных данных обус ловлен незначительной величиной диффузионных пото ков, малой толщиной «приповерхностного» слоя ( Ю - 6 — Ю - 4 см) и существованием на поверхности окисной плен ки. Подробное обсуждение этих вопросов можно найти в серии работ Гегузина с сотр. [41; 156; 197] и в моногра фии Блейкли [198].

Атомы на поверхности, как и в объеме, ведут себя неупорядоченно подобно броуновским частицам. Если на поверхности имеется градиент химического потенциала (например, из-за дефектов структуры), то миграция ста новится направленной, частицы приобретают скорость

6* Зак. 618

147

в некотором

направлении,

обусловливая

поверхностную

диффузию . В этой связи существенное

значение

имеют

особенности

реальной

структуры

поверхности

металла

[199—201]. Анализ этого вопроса дан в

работе

[156].

На поверхности кристалла всегда имеются дефекты

структуры-ступени,

изломы

(рис.

62).

Т а к а я

ступень

не

является

равновесной.

случае выхода на поверх

ность

дислокаций

нор

мальной

ней

винтовой

компонентой

ступень

мо

ж е т

замкнуться

на

дис

локациях

оказаться

устойчивом

состоянии.

При

температуре

аб

солютного

нуля

контур

ступени

будет

гладким

(из

условия

минимума

свободной

энергии) .

повышением

температу

ры

вследствие

вклада

эн

Рис.

62.

Структура

поверхности

тропийного

члена

на

ли

кристалла

при

Г = 0 н

Г > 0

(час

ниях ступени

будут

появ

тицы

обозначены

кубиками,

ва

ляться

изломы

(рис.

62,

кансии — квадратиками) :

н и ж н и й ) .

Среднее

рас

/, 2 — флуктуационное

рождение

из

ломов; 3,

4 — обмен

атомами

между

стояние

между изломами

изломом it

адсорбционным слоем; 5 —

Яо

зависит

от

температу

поверхностная

вакансия

ры и угла 0, образуемого

направлением ступени

с направлением

плотной

упаков

ки. Если эти

направления

совпадают

( Ѳ = 0 ) ,

среднее

расстояние между изломами можно определить из со отношения

			>ч>= y	ехр	(U/kT),	(39)
			>ч>= y	ехр	(U/kT),
где	а	—	межатомное	расстояние;
	U	—	энергия образования		излома .
	Оценка		Яп, например, д л я ступени на грани ( 1 1 1 )
г. ц. к. кристалла дает следующее					выражение:
где	Wc	— энергия сублимации.

148

Если принять,		согласно [200, 201],			W c = 2 4	kT,	то
» 4 а. Д л я	ступени на грани (100) простого					кубического
кристалла	А 0 ~ 3 0 а		[198].
Поверхность		кристалла		обычно	адсорбирует		атомы
(адатомы);	плотность		их определяется соотношением
		/га =	п 0 е х р	(WjkT),			(40)

где Wa —энергия, необходимая д л я перевода атома из положения адсорбции на ступени в положение адсорбции иа атомно-тладкой поверхности;

щтЦаг— поверхностная плотность атомов. Адсорбированная частица проходит путь по поверх

ности:

4 А * ] / £ ) а . п о в т а ,	(41)
где .Оа.пов — коэффициент поверхностной	диффузии;

т а — время жизни атома в состоянии адсорбции. •По данным работы [200], путь адсорбированной час тицы значительно больше среднего расстояния между изломами, т. е. 1& > Х0, и, следовательно, ступень с изло мами может быть непрерывным источником или стоком адатомов, что определяет роль ступеней в процессе по


верхностной		диффузии .
Дефекты		структуры на			поверхности			(ступени, изло
мы) обусловливают				различную энергию связи						адатома
с поверхностью			(количество соседей,				с которыми			данная
частица	взаимодействует,				будет различным) и, следо
вательно, влияют на				кинетику		поверхностной диффузии
и сублимации.			Например,		вероятность			сублимации			или
диффузии атома 4 больше, чем атома 3 (см. рис. 62).
Кроме атомарных ступеней, возникающих на поверх
ности из-за термических флуктуации,								поверхность			про
извольного		сечения		кристалла		плоскостью			шлифа		со
держит	систему		ребристЫ'Х		ступеней,		т а к		называемую

естественную шероховатость [156]. Эта макроскопичес кая ступенчатость является следствием того, что мини мум поверхности и минимум поверхностной энергии не обязательно совпадают, поскольку последняя в кристал


ле анизотропна [202].
Макроскопический			рельеф		поверхности реального
кристалла	создают	т а к ж е		ямки	— при	пересечении по
верхности	дислокациями			и канавки — при пересечении
поверхности границами			субструктуры. П р и этом увеличе
ние поверхности		термодинамически				компенсируется

149

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415 / 2115 16 17 18 19 20 21 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ