Лекция 15
Модуль 3. Структура и ее роль в обеспечении заданного комплекса свойств материалов
Тема 3.4. Стабилизация структурно-фазового состояния материалов
(окончание)
7. Другие внешние причины нестабильности структурно-фазового состояния
Существует ряд дополнительных, не рассмотренных выше факторов, воздействие которых также может влиять на структуру материалов:
-пластическая деформация и облучение; -коррозионно-активная среда ; -градиенты температуры и напряжений;
-наличие точечных дефектов и их градиентов.
Рассмотрим результаты исследований, посвященных стабильности дисперсных выделений второй фазы при пластической деформации и облучении.
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.
Движение включений в твердых телах
.
1.Диффузионные потоки вакансий
Движение включений за счет диффузионных потоков вакансий
V, возникающих в кристалле матрицы под действием внешних сил, и
создаваемыми ими потоками атомов, противоположно направленными и равными по величине:
А = – V.
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.
Движение включений в твердых телах за счет диффузионных потоков вакансий (продолжение)
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..
Для того чтобы граница была эффективным стоком вакансий, она должна быть достаточно шероховатой, например, иметь большое число ступенек атомной высоты. 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 когерентно связанных с матрицей кристаллических включений могут образоваться небольшие участки вакансий у границы с включением, которые не будут легко заполняться веществом включения и приведут к обратным диффузионным потокам.
2.Механизм поверхностной диффузии, вызывающий движение включений
.
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 объему не очень мало.
Скорость диффузионного движения включений за счет поверхностной диффузии также должна существенно зависеть от условий на границе между включением и матрицей.
3.Механизм движения включений в твердых телах связан с переносом атомов матрицы через само включение.
В случае твердых и жидких включений такой механизм возможен, если растворимость атомов матрицы во включении и значение коэффициента диффузии этих атомов в объеме включения достаточно велики.
За счет того, что атомы матрицы будут растворяться в передней стороне включения, диффундировать через него и снова осаждаться в матрице у задней стороны, образуя там новые атомные слои, включение должно перемещаться.
Для газовых включений такой механизм может осуществляться, если в рассматриваемой области температур достаточно велика скорость сублимации (испарения) атомов с поверхности и возникает направленный поток атомов матрицы через вакуум (или через газовую фазу) от одной части микропоры к другой.
В общем случае существенный вклад в скорость движения включений могут давать одновременно несколько рассмотренных выше механизмов.
Скорость движения включений
|
|
Направленные диффузионные потоки, |
|
Скорость движения включений |
приводящие к движению включений, |
||
могут быть |
вызваны различными |
||
за счет всех |
механизмов |
обобщенными |
термодинамическими |
диффузии: |
б – |
силами связанными с: |
|
а – малый Dпов; |
|
|
|
-градиентом температуры; |
|
|
|
высок й Dпов |
|
|
|
-с электрическим полем; |
|
|
|
-градиентом поля упругих напряжений; -неоднородным магнитным полем;
-градиентом вакансий, например, созданных облучением и др.
Движение включений в поле градиента температуры
Диффузия в поле градиента температуры вызывается увлечением атомов направленным потоком фононов (фононным ветром), вызванных градиентом температуры.
При рассеянии на атоме, который преодолевает потенциальный барьер рядом с вакансией, фононы передают атому свой импульс и приводят к преимущественному движению атомов в направлении Т.
Важными параметрами являются сечения рассеяния фононов или электронов атомом.
При расчете скоростей движения включений в поле градиента температуры необходимо знать:
-распределение температуры; -распределение концентрации вакансий вблизи включения и в матрице;
-диффузионные потоки в объеме матрицы, во включении и на поверхности включения; -учесть природу, размер и форму самого включения.
Реальность определяющего влияния механизма поверхностной диффузии продемонстрирована при изучении кинетики движения газонаполненных пор под влиянием градиента температуры.
Движение включений-пор в поле градиента температуры
Газонаполненные полости возникали в меди в процессе бомбардировки потоком -частиц. При дозе 2 1017 ион/см2 атомная концентрация 4Не в меди была 10–3 и гелий (он не растворим в меди) собирался в изолированных полостях, радиусом 30–40 нм.
Градиент температуры создавался путем локального разогрева образца электронным пучком в микроскопе до 105 К/см. В электронном микроскопе в режиме реального времени фиксировали движение гелиевых пузырьков (R 30 нм) со скоростью 10–5 см/с при значениях коэффициента поверхностной диффузии атомов меди 10–6 см2/с.
Аналогичные исследования проведены при изучении движения полостей в диоксиде урана, заполненных криптоном.
Установлено, что скорость движения полостей v обратно пропорциональна радиусу полости R, v 1/R, что полностью
соответствует теории миграции полостей по механизму поверхностной диффузии атомов матрицы.
Скорость движения включений в поле градиента температуры можно представить в виде следующей зависимости:
v D T/T.
Здесь = ( – 0) / (2 – 0), где – теплопроводность матрицы;0 – теплопроводность включения; D – эффективный коэффициент
диффузии.
Движение включений в металлах в электрическом поле
Внешнее электрическое поле вызывает направленные диффузионные потоки ионов в металлах, приводящие к перемещению включений. В электрическом поле вероятности перескока ионов в направлении действия силы и в противоположном направлении оказываются различными, и возникает направленный диффузионный электроперенос ионов металла.
В металлах на диффундирующий ион действуют две силы.
Одна из них связана с внешним электрическим полем Е, которое действует с силой z0eE на ион z0e (е – заряд электрона, взятый с обратным знаком).
Другая сила связана с потоком электронов, движущихся в электрическом поле, которые, сталкиваясь с диффундирующим ионом, передают ему свой импульс и увлекают его в направлении своего движения с силой z*eE (где z* – некоторый
эффективный заряд).
Результирующая сила, действующая на ион, равна сумме этих двух сил.
Под действием этой силы в кристалле (для простоты – в моноатомном) возникает направленный диффузионный поток ионов, падающих на поверхность включения.
Скорость движения включения будет определяться диффузией в объеме матрицы с коррекцией (вычитанием) на скорость электропереноса атомов матрицы относительно решетки. Эта скорость зависит от соотношения
электропроводности матрицы и включения. Например, в случае непроводящих включений v – E, а если проводимость значительно больше проводимости матрицы, то скорость оказывается противоположно направленной: v E.