Калин Физическое материаловедение Том 5 2008

низму Рэлея. Образцы пластинчатой эвтектики Cd–Zn сжимали по нормали к направлению роста пластинок, при этом возникали деформационные полосы сброса. Последующий отжиг приводил к быстрой сфероидизации и коалесценции этих деформационных полос. Предложено два объяснения этого явления. С одной стороны, появление полос сброса, возможно сопровождаемое рекристаллизацией, нарушило ориентационное соотношение между фазами и тем самым повысило энергию межфазных границ. С другой стороны, появление полос сброса могло привести к разрушению пластин по механизму миграции морфологических дефектов (см. рис.

19.25).

В общем, явление сфероидизации структурных элементов имеет место и в недеформированных материалах, содержащих различные структурные дефекты или особенности типа полигонизованных границ, образующих канавки на межфазных границах, ускоренная миграция малоугловых границ. Но основным дестабилизирующим фактором эвтектических и эвтектоидных структур являются мор-

фологические дефекты.

Таким образом, для обеспечения стабильности пластинчатых и волокнистых структур необходимо обеспечить однородность по размерам (поперечным сечениям) структурных элементов, низкие значения энергии межфазных границ, отсутствие морфологических дефектов и отсутствие разрывов и деформаций структурных элементов.

19.6.4. Изменение микроструктуры под влиянием энергии межзеренных границ

При нагревании материалов происходит эволюция микроструктуры в направлении Gпов min. После первичной рекристаллизации, вызванной уменьшением деформационной составляющей свободной энергии (см. п. 19.3.2), в микроструктуре происходит собирательная рекристаллизация (нормальный рост зерна) и вторичная рекристаллизация (аномальный рост зерна).

Нормальный рост зерна. Межзеренные границы представляют собой поверхности раздела между кристаллитами с одинаковым составом, но с разной ориентировкой. После первичной рекристал-

371

лизации формируется микроструктура с различными по размеру зернами. Энергия межзеренных границ составляет порядка 1/3 поверхностной энергии, но в значительной степени зависит от ориентировки плоскостей. В процессе Gпов min большие зерна должны расти, а малые уменьшаться или исчезать, так как только в этом случае снижается общая площадь межзеренных границ и избыток свободной поверхностной энергии. Это и есть нормальный рост зерен, или собирательная рекристаллизация.

Движущая сила нормального роста зерен много меньше (в 100 раз), чем для миграции границ при первичной рекристаллизации деформированного материала, поэтому нормальный рост происходит более медленно или при более высокой температуре, чем первичная рекристаллизация с перемещением границ. Форма границ зерен может быть различной и зависит от числа соседей.

Как видно на рис. 19.26, при условии, что углы при тройных точках равны 120 , прямыми могут быть только границы шестигранных зерен (рис. 19.26, а). При количестве соседних зерен менее шести – границы зерна выпуклые (рис. 19.26,б), а более шести – вогнутые (рис. 19.26,в). Средний радиус кривизны rc при заданном распределении зерен по их размерам и форме равен rc = dc, где величина зависит от распределения зерен по размерам (точнее, от распределения по числу соседних зерен) и равна константе при неизменном распределении по размерам и форме ( 1/2); dc – средний «диаметр» зерна.

Рис. 19.26. Возможная форма зерен в зависимости от числа соседей:

а– шесть соседних зерен; б – менее шести соседних зерен;

в– более шести соседних зерен

372

кластеры в отличие от отдельных атомов растворенной примеси не могут легко перемещаться вместе с границей и ведут себя, как частицы второй фазы.

Влияние на рост зерна частиц второй фазы. Считают, что любые включения второй фазы задерживают движение границы. Такой процесс взаимодействия сферических частиц с границами показан на рис. 19.29.

Создаваемая включением тормозящая сила в направлении у равна r gbsin(2 ). Максимальное значение тормозящей силы, равноеr gb, возникает при = 45о. Если в единице объема сплава присутствует N таких частиц, то занимаемая ими доля объема f составит (4/3) r3N. Единичная площадь поверхности границы пересекает все частицы в 2r или 2rN частиц. Отсюда число частиц, пересекаемых единицей площади поверхности границы, равно n = 3f/2 r2. Таким образом, максимальное тормозящее усилие, действующее на единицу площади поверхности границы, определяется формулой:

а б

Рис. 19.29. Схематическое изображение сферической частицы радиусом r

сграницами зерен:

а– граница в трех положениях (1, 2 и 3); б – мигрирующая вверх граница;

– угол между радиусом частицы и плоскостью границы

Это соотношение получено в предположении, что взаимодействие между границей и частицами не зависит от их природы и что частицы равномерно распределены в объеме матрицы.

375

Из выражения (19.76) следует, что при заданной объемной доле частиц более мелкие частицы должны сильнее тормозить миграцию границы зерна.

Сила торможения границы (19.76) эквивалентна работе Pr = 3f gb/2r, которая изменит кинетику роста зерна (19.74), ограничивая конечный размер зерна величиной dz:

где z – отношение максимального размера зерна к среднему. Таким образом, по мере роста зерна в присутствии частиц вто-

рой фазы скорость роста замедляется и прекращается при достижении размера dz, т.е. текущий размер нормально растущего зерна будет связан с размером и объемной долей частиц второй фазы f.

Аномальный рост зерна. Торможение роста зерна частицами второй фазы оказывается наиболее эффективным при размере частиц от 50 до 100 межатомных расстояний и расстояниями между ними порядка = 0,5dc/(4 /3f )1/3. Замечено, что зерна размером выше среднего, граничащие более чем с шестью соседними зернами (см. рис. 19.26,в), могут расти быстрее соседей, при этом скорость их роста определяется не их собственным размером dA, а средним размером зерен матрицы dм.

Эта разновидность роста, названная аномальным ростом зерна (или вторичной рекристаллизацией), осуществляется при возникновении благоприятных условий, обеспечивающих как отбор на стадии зарождения произвольного зерна, которое должно быть быстрорастущим, так и его последующий рост. Одним из таких условий аномального роста зерен является блокировка (подавление)

нормального роста, например, частицами второй фазы. В этой связи возникает серьезная помеха по использованию частиц второй фазы в качестве регулирующего и ограничивающего рост зерен фактора, поскольку аномальный рост ведет к полному распаду мелкозернистой структуры и её замене крупнозернистой. Фактически, при наличии одного зерна-зародыша можно получить монокристалл.

Аномальный рост наблюдается повсеместно и возможно, что предрасположенность к нему определяется микроструктурой, сформированной после первичной рекристаллизации. Кроме этого,

376

подавление нормального роста возможно за счет текстуры, образование которой приводит к снижению энергии границ (движущей силы нормального роста), но при этом могут существовать зерназародыши аномального роста.

N(t)

Рис.19.30. Распределение зерен по размерам при аномальном росте зерна в начальной (а) и средней стадии (б) и после завершения аномального роста (в)

Как видно на рис. 19.30, за счет аномального роста зерен формируется бимодальное распределение зерен по размеру.

Движущей силой аномального роста зерен является избыток всех видов свободной энергии сплава (см. п. 19.2) и, в первую очередь, деформационной и поверхностной составляющих.

Таким образом, существуют, по меньшей мере, два условия аномального роста зерна: в конце нормального роста (собирательной рекристаллизации) должно быть торможение (блокировка) роста, например, частицами второй фазы; после торможения нормального роста отдельные зерна-зародыши, с числом соседей более шести, должны расти сильнее других. Скорость аномального роста размера зерна dA зависит от среднего размера зерен dс следующим образом:

Из формулы (19.78) видно, что если рост зерна заблокирован (dс = const), то и скорость аномального роста постоянная dA = const.

377

19.7. Другие внешние причины нестабильности структурно-фазового состояния

Существует ряд дополнительных, не рассмотренных выше факторов, воздействие которых также может влиять на структуру материалов. Например, пластическая деформация и облучение, кор- розионно-активная среда могут резко изменить природу и характер распределения дефектов в металлах и сплавах и способны разрушить не только микроструктуру, но и сплав. Рассмотрению подобных воздействий посвящено большое количество специальной литературы, поэтому в этой работе ограничимся обсуждением некоторых результатов исследований, посвященных стабильности дисперсных выделений второй фазы при пластической деформации и облучении, прежде всего, влиянию градиентов температуры, напряжений и концентрации дефектов на движение частиц второй фазы.

Частицы второй фазы (включения, газовые пузыри, расплав) могут перемещаться относительно решетки за счет направленного потока атомов в поле внешних сил, которое становится заметным при высоких температурах. Такие направленные диффузионные потоки приводят к постепенному уходу атомов из атомных слоев кристаллической решетки матрицы, находящихся по одну сторону от включения, и к последовательному исчезновению («стравливанию») этих слоев. Одновременно по другую сторону от включения будут нарастать новые атомные слои решетки матрицы. В результате микрополость вместе с находящимся в ней включением (или заполненная газом) будет перемещаться относительно кристаллической решетки.

Возможны три механизма диффузионного движения включений в твердых телах. Первый из них связан с диффузионными потоками вакансий V, возникающими в кристалле матрицы под действием внешних сил, и создаваемыми ими потоками атомов, противоположно направленными и равными по величине: А = – V. Вдали от включения в кристалле или в зерне, размеры которых значительно превышают размеры включения, поток имеет постоянное значение , но вблизи включения линии потока искажаются, и поток в рассматриваемой точке (r) зависит от ее радиуса-вектора

378

r. В частности, будут возникать линии тока вакансий (и атомов), идущие от границ зерен (или от других источников) к включению или от одних участков поверхности включения к другим. Вследствие того, что потоки вакансий, попадающих на переднюю и заднюю части включения, различны, атомы будут постепенно переходить с атомных слоев кристалла перед включением на атомные слои позади включения, достраивая последние, и включение как целое будет перемещаться относительно кристаллической решетки матрицы.

В случае микропор скорости различных участков поверхности могут быть различны, так что под действием внешних сил пора не только совершает поступательное движение, но также изменяет свою форму и объем, а кроме того, еще поворачивается относительно матрицы.

При рассматриваемом механизме диффузионного перемещения включений (пор) их скорость будет зависеть от состояния границы между включением и матрицей, которое определяет граничные условия для диффузионных потоков вакансий в матрице. Идеальный плоский участок границы поверхности может быть стоком или источником ограниченного числа вакансий, поскольку образующиеся на поверхности избыточные вакансии повышают их химический потенциал, нарушают условия динамического равновесия и препятствуют дальнейшему стоку вакансий из объема на поверхность. Для того чтобы граница была эффективным стоком вакансий, она должна быть достаточно шероховатой, например, иметь большое число ступенек атомной высоты. Тогда вакансии могут переходить из объема на края таких ступенек поверхности, постепенно их разъедая, но не меняя концентрации поверхностных вакансий и их химического потенциала. Этот процесс сопровождается перемещением границы, причем если степень шероховатости не изменяется, то эффективность границы как источника или стока вакансий остается неизменной.

Наряду с условиями возникновения вакансий большое значение должна иметь легкость, с которой вещество включения заполняет пустые места, возникающие при диффузионном уходе атомов матрицы с передней части включения. В случае жидких, газообразных или достаточно пластичных твердых включений, а также в случае

379

аморфизованной или некогерентной границы и высокой диффузионной подвижности внутри включения появляющиеся пустые узлы сразу заполняются веществом включения. Однако в случае когерентно связанных с матрицей кристаллических включений и малой диффузионной подвижности их атомов образуются небольшие участки вакансий у границы с включением, которые не будут легко заполняться веществом включения и приведут к обратным диффузионным потокам. При этом скорость диффузионного движения таких когерентно связанных включений при любых механизмах диффузионного перемещения атомов матрицы будет, в конечном счете, лимитироваться скоростью заполнения образующихся пустых мест в матрице веществом включения, т.е. процессом объемной или поверхностной диффузии внутри включения.

Второй механизм диффузионного движения включений связан с поверхностной диффузией на поверхности микропоры или с граничной диффузией в тонком аморфизованном слое на границе твердого включения с матрицей. Такие направленные потоки (поверхностные или граничные), возникающие под действием движущих сил, приводят к переносу атомов матрицы с передней к задней половине включения, в результате чего частица (микропора) будет перемещаться. Роль этого механизма особенно существенна при умеренных температурах, когда велико отношение поверхностной (граничной) и объемной диффузии, и для малых размеров включений, когда отношение площади их поверхности к объму не очень мало.

Скорость диффузионного движения включений за счет поверхностной диффузии также должна существенно зависеть от условий на границе между включением и матрицей. Это связано, прежде всего, с очевидной сильной зависимостью поверхностных кинетических коэффициентов (поверхностного коэффициента диффузии) от состояния границы. Кроме того, и при движении включений за счет поверхностной диффузии существенна легкость образования вакансий в поверхностном слое матрицы и легкость, с которой вещество матрицы заполняет образовавшиеся пустые места.

Третий механизм движения включений в твердых телах связан с

переносом атомов матрицы от одной части границы включения к другой через само включение. В случае твердых и жидких включе-

380