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 78 / 218 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 > Следующая >>>

ку плотность их в приграничной области меньше, чем в объеме зерна, то и водорода там меньше. Граница зерна представляет собой более широкий спектр атомных состояний, чем изолированная дислокация . В силу «кон куренции» места на границе занимают преимущественно большие атомы, а водород сегрегирует на более тонких дефектах кристаллической решетки.

ОБРАЗОВАНИЕ ДИСЛОКАЦИЙ В ДИФФУЗИОННОЙ ЗОНЕ

Диффузионное перемещение атомов приводит к воз никновению в зоне диффузии напряжений, тем более значительных, чем выше градиент концентрации и боль

ше упругие	и с к а ж е н и я ,	обусловленные различием в
свойствах атомов матрицы и диффундирующего				веще
ства. Если	н а п р я ж е н и я	превосходят	стартовые,	необхо
димые для	генерирования источников		размножения дис

локаций, то последние возникают в диффузионной зоне. Таким образом, процесс диффузии может быть самоус коряющимся: диффузия в определенных условиях вызы

вает образование дислокаций, а

дислокации в

опреде

ленных условиях ускоряют диффузию .

Возникновение

дислокаций в

результате

диффузии

отмечалось

в различных материалах — в

металлах,

ион

ных кристаллах, полупроводниках [62, 100].

металлах

дислокации

наблюдались

при

исследо

вании

взаимной диффузии

в п а р е

.медь — латунь

(Ду и

Б а л л у ф ф и ) ,

при насыщении а - железа серой

вблизи

границ зерен (Стенли), при насыщении

ж е л е з а

индием

перед

фронтом

диффузии

(Криштал, Степанова) . В

пос

леднем случае

регистрировалось

уменьшение

плотности

дислокаций по мере удаления их от поверхности.

Сред

няя плотность

по я м к а м травления

была

'Ю9

см~2

при

насыщении

ж е л е з а

индием

[52] . В

результате

большого

различия в

атомных

д и а м е т р а х ж е л е з а

индия

вблизи

поверхности возникла дислокационная сетка. Более

де

тально этот

процесс

исследован

на

полупроводниках,

где образование дислокаций было замечено,

например,

при диффузии

фосфора и бора в бездефектном

кремнии,

а т а к ж е в

германии.

Пруссин

[100]

рассмотрел

условия

возникновения

напряжений

процессе диффузии

д л я

случая

постоян-

металла Аа. При этом выделяется энергия, которая мо жет быть израсходована на создание дислокаций в по верхностном слое. Термодинамические условия образо вания N дислокаций на поверхности можно выразить соотношением: Gb2NL^iAa, где N — число выходов Дис локаций на поверхность, L>—длина дислокационной пет ли и Gb2— энергия единицы длины дислокации . Оценка плотности дислокаций из этого соотношения дает мак симальную величину дл я І Ѵ = 1 0 " СМ~2.

Н а рис. 2 8 приведена электронномикроскопическая фотография диффузионной зоны железной фольги после

отжига	при 7 8 0 ° С , 4 8 ч в р а с п л а в е индия, иллюстриру
ющая	винтовые дислокации на	малоугловых границах
кручения в диффузионной зоне		металла .

Г л а в а II I

Д И Ф Ф У З И Я ПО ГРАНИЦАМ З Е Р Е Н И ФАЗ

ВВЕДЕНИЕ.

СТРУКТУРА ВЫСОКОУГЛОВЫХ ГРАНИЦ

Один из основных структурных	элементов поликрис
таллического вещества — граница	зерна представляет

собой область аномальной диффузионной подвижности. Действительно, при температурах ниже ~ 0,76 ТПЯ коэф фициент диффузии в монокристаллах меньше, чем в по ликристаллах, из-за существования в них границ зерен, а с уменьшением величины зерна скорость диффузии (например, цинка в латуни) возрастает [ 1 4 8 ] . Кинети ку многих процессов можно объяснить лишь в пред положении большой скорости диффузии по границам зерен.

Многочисленные опыты показывают, что коэффици ент диффузии по границам зерна на несколько порядков (например, дл я самодиффузии серебра при 5 0 0 ° С на пять порядков) больше, чем внутри зерна, а энергия актива ции примерно в два раза меньше.

Теоретический анализ роли границ зерен в процессах

диф'фузии	затрудняется	тем, что нет строгой количест
венной модели строения		высокоугловой границы — по
верхности	р а з д е л а двух	смежных зерен с разориенти-
ровкой более 15—20 град . Более того, д а ж е в самых по

пулярных моделях расхождений ле меньше, чем точек

соприкосновения. В	р а м к а х	дислокационных представле
ний количественно	хорошо	описываются только малоуг

ловые границы, пока дислокации находятся на достаточ

но большом	расстоянии (вектор Бюргерса b<L	рассто
яния м е ж д у	дислокациями) и их ядра не перекрываются.

Описать высокоугловые границы с помощью дислокаций пока можно с большой натяжкой [117].

Согласно модели Мотта,			граница — это	переходная
область, которая		состоит из	участков с хорошим и пло
хим	сопряжением	решетки	(когерентных и	некогерент
ных	участков) . В	последних	отсутствует	кристаллогра

фическая симметрия. Число атомов в «хорошем» участке

невелико (п<С 1000 атомов), а		число плохих	участков
тем больше,	чем больше разориентация смежных			зерен,
и при Ѳ ^-50°	границу можно	рассматривать	как	неупо

рядоченную зону, состояние которой сравнимо с жидким состоянием.

К	таким ж е представлениям приближается		модель,
предложенная Смолуховским, д л я		объяснения	некото
рых	экспериментов по диффузии	вдоль границ	зерен.

Структурное несоответствие на стыке соседних зерен приравнивается т а к ж е несоответствию м е ж д у областя ми ближнего порядка в жидкости (аморфный слой) . Энергия границ кристалла в этом случае равна скрытой теплоте плавления слоя в несколько атомов и не д о л ж н а зависеть от степени разориентировки, что наблюдается в некоторых опытах по определению энергии высокоугло вых границ в зависимости от их разориентации.

Распространена т а к ж е	теория переходной	решетки
[108]: граница — это небольшая, примерно два		атомных
слоя, переходная область,	где атомы меняют свое рас

положение от характерного для одной решетки до харак


терного д л я другой и с точки				зрения	кристаллографичес
кой ориентации		занимают		компромиссное положение
м е ж д у расположением			в смежных зернах. Б ы л а рассчи
тана [187] переходная			решетка м е ж д у двумя кристалла
ми в чистом	металле,		что позволяет определить положе
ние любого	атома	д л я	произвольной		разориентировки.

Расчет подтвердил	справедливость	дислокационной мо
дели малоугловой	границы.
В последнее время детальный анализ структуры гра
ниц зерен сделали	Ост и Ч а л м е р с [120]. Они		рассмотрели
экспериментальные	исследования,	имеющие	отношение
к структуре высокоугловых границ		зерен, начиная при

мерно с 1952 г: исследования диффузии по границам зе рен, миграции и энергии границ зерен, сегрегации на гра

ницах, а	т а к ж е исследования границ	зерен	с	помощью
ионного	микроскопа.
Согласно модели, разработанной		Бишофом		и	Ч а л -
мерсом,	л ю б а я граница в чистом металле состоит				из	ря
да атомов, общих д л я двух кристаллов . П р и этом					в	слу
чае малоугловых границ обоим к р и с т а л л а м			принадлежит
большинство узлов, хотя имеется некоторое			смещение			их,

и такую границу удобно описывать к а к р я д дислокаций. Для описания высокоугловых границ предлагается мо дель совмещенных узлов. При определенных угловых взаимосвязях соседних кристаллов узлы их решеток на

границе могут	совмещаться. Н а рис. 29	показано совме
щение вокруг	оси <1'00> д л я границы	с	углом Ѳ = 2 8 , Г .
В случае перекрытия решеток образуется			пространствен
ная решетка совмещений, однако только			на границе есть

атомы, общие для обоих кристаллов . При определенных геометрических соотношениях совмещение на границе будет «идеальным» с определенной периодичностью сов мещенных узлов (см. рис. 29,в).

Совмещение в плоскости границы требует некоторого

искажения кристаллов и тем большего,			чем	больше	от
клонение от	коэффициента	«идеального	совмещения».
В модели	«совмещения»	границу можно		т а к ж е	рас

смотреть в р а м к а х дислокационных представлений — к а к область, имеющую геометрические характеристики ряда дислокаций с д в у м я дислокациями д л я каждого совме щенного узла (см. рис. 29, г). Однако д л я высокоугловых границ малое расстояние м е ж д у дислокациями и пере крытие их ядер затрудняют анализ свойств дислокаци онных рядов на основе свойств индивидуальных дислока ций. М о д е л ь •границы можно т а к ж е описать в р а м к а х сту

пенчатой	структуры (см.	рис. 29, <Э)-
Хотя,	к а к у к а з ы в а ю т	авторы, нет решающих экспе

риментов в пользу предлагаемой модели, однако, резуль таты многих опытов говорят в ее пользу. К а к и е именно?

Убедительные аргументы д а ю т диффузионные изме


рения, в частности опыты по исследованию			анизотропии
зернограничной диффузии . И з м е р я л а с ь		[121]		самодиф
фузия серебра вдоль и в перпендикулярном			направлении
к границе зерна бикристалла в зависимости			от	угла	ра-
зориентировки. Из рис. 30 видно, что анизотропия					диф
фузии по границам зерен Ри/Рх	уменьшается		(с	15 до 2)
по мере увеличения 0. Однако	д а ж е в	высокоугловых

границах анизотропия есть, и, следовательно, граница не

может считаться

бесструктурной — при

отсутствии ори

ентированной

структуры

следует

ожидать

Р\\/Р

±. —

(Р — глубина

проникновения A g ) .

Интересные данные д л я анализа вопроса

получены

при

изучении

кинетики

миграции

зерен.

Б ы л а изучена

[122] скорость

д в и ж е н и я

высоко

угловых

границ

бикристалла

свинца, полученного зонной очи

сткой, в зависимости от темпера

туры, концентрации

примесей

кристаллической

ориентировки

смежных

зерен. Автор

различает

два

типа

высокоугловых

границ:

«случайные»,

или

неупорядочен

ные

(Ѳ =

15-7- 60°), и специальные»,

или

упорядоченные

(Ѳ = 23 и 40°).

При одинаковых условиях упоря

доченные

границы

двигаются

15 20

100

раз

быстрее,

чем

неупорядо

ченные, а увеличение

с о д е р ж а н и я

Ѳ, град.

Рис.

30.

Анизотропия

олова до 0,005% уменьшает ско

рость миграции

неупорядоченных

зернограничной

диффу

граииіц пр'и300°С,

по

крайней ме

зии в зависимости от уг

ла разориентировки

зе

ре,

на д в а порядка

(рис. 31). Со

рен

в серебре

[121]

ответственно

увеличение

концент

рации примесей повышает энергию миграции неупорядо


ченных границ		с	62,7	до 167,2 кдж/г-атом			(с	15 до
40 шал/г-атом).		Д л я		упорядоченных		границ	она прак
тически	постоянна		и	равна	только	25,1	кдж/г-атом
(6 ккал/г-атом)		(рис.		32).
Таким образом, по свойствам различные типы высо
коугловых границ			могут сильно		различаться .		Получен
ные результаты можно объяснить следующим							образом:
когда два	смежных кристалла				оказываются на			границе

в условиях идеального совмещения, то за пределами са мого ядра упругая деформация незначительна, и примес

ные атомы адсорбируются	практически только в	самом
ядре. В этой зоне диффузия	атомов растворенного	вещест
ва происходит быстро, и они не тормозят движение		грани
цы, легко перемещаясь вместе с ней. Отклонение		от иде
ального соотношения ориентации эквивалентно		образо-

Л П	1	1	I	I	I	I
О	.0,002			0,004		0.006
			Sn, % (по массе)
Рис. 31. Скорость		V движения		границ	зерен	свин
ца при 300°С в зависимости				от содержания оло
	ва	в	растворе [122]

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78 / 218 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ