ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Влияние межкристаллитной внутренней адсорбции на энергию межзеренного сцепления в твердых растворах из "Обратимая отпускная хрупкость стали и сплавов железа " Предположим, что при обогащении границ зерен примесями характер силового закона взаимодействия атомов расстояние а = L угасания сил сцепления на границах существенно не меняются, а когезивная прочность р меняется под влиянием межкристаллитной внутренней адсорбции только благодаря изменению — удельной поверхностной энергии обогащенных примесями свободных поверхностей, образующихся при интеркристаллитном хрупком разрушении. [c.111] По данным Б.С.Альшевского энергия U не сильно отличается от энергий смешения в объемных твердых растворах, типичные значения которой составляют около 0,1 эВ [157, 158]. При таких значениях U последним членом в формуле 35) можно пренебречь [159], т.е, использовать приближение идеальных растворов. [c.112] Несмотря на очевидную грубость такого ( квазихимического) приближения, учитывающего только взаимодействие ближайших соседей,, оно успешно используется для качественного и полуколичественного анализа поверхностных явлений в металлах и сплавах [158]. [c.112] Соотношения (35) — (40) позволяют в рамках использованной феноменологической модели учесть влияние на энергию межзеренного сцепления в твердом растворе таких факторов, как физико-химическая природа и концентрация примесных атомов, свободная энергия Р связи примесей с границами зерен, температура отжига Т (или эксплуатации, — если равновесное распределение примеси между объемом и границами зерен устанавливается в процессе службы материала, например, в жаропрочных сплавах), энергия границ, а также их адсорбционная емкость и концентрация центров адсорбции а на границах зерен. [c.113] Таким образом, исходя из изложенных представлений, можно предполагать, что опасными (с точки зрения влияния ка межзеренное сцепление) являются примеси, которые обладают высокой .Р/кТ 1) энергией связи с границами зерен (что приводит к значительной их концентрации на границах зерен даже в весьма разбавленных растворах) и одновременно — слабыми собственными межатомными связями 5 — А, низкой поверхностной энергией (а а ),-что обеспечивает снижение энергии на обогащенных границах зерен. [c.115] Примеси, которые слабо взаимодействуют с границами зерен Р/кТ 1), или/и для которых Од о , не оказывают заметного влияния на энергию межзеренного сцепления в разбавленных твердых растворах и могут быть названы нейтральными . [c.115] Отметим, что указанные критерии относятся к ситуации, когда в процессе разрушения не происходит перераспределение примесных атомов между объемом и поверхностью трещины вследствие малой скорости диффузии по сравнению со скоростью разрушения. [c.115] Для количественных оценок необходимо сделать некоторые дополнительные предположения о значениях параметров, входящих в формулы (35) (40). При этом учтем, что когезивная прочность границ зерен обеспечивается близкодействующими сипами межатомного притяжения,. и основное влияние на нее оказывает изменение химического состава нескольких атомных слоев, непосредственно примь кающих к границе раздела зерен. [c.115] В рамках использованного нами локально-конфигурационного приближения при подсчете учитывается взаимодействие только ближайших соседей, поэтому значение в формулах (35) и (36) отвечает, очевидно, концентрации примесных атомов, адсорбированных в ядре большеугловой границы зерна с размером ядра около двух параметров решетки 2 (со — объем атома). В связи с этим и величины СЕ, л Р в формулах (37) — (42) также соответствуют предельной адсорбции в ядре, свободной энергии связи Р примеси с ядром большеугловой границы и концентрации в нем центров адсорбции а. [c.115] Основные предположения, учитывающие отмеченное обстоятельство и использованные при количественных оценках параметров, фигурирующих в формулах (41) —(43), состоят в следующем. [c.115] По-видимому, это достаточно реалистическая оценка предельного обогащения границ зерен фосфором и его химическими аналогами в результате межкристаллитной внутренней адсорбции, во всяком случае для отдельных границ. Об этом свидетельствуют, в частности, данные, представленные на рис. 38, которые получены при изучении пов ерхно-сти межзеренного хрупкого разрушения (методом Оже-спектроскопии) твердых растворов а-железа с разной концентрацией фосфора [124]. видно, что с ростом концентрации фосфора в сплаве его концентрация на границах зерен приближается к 1. Аналогичные результаты, полученные позднее, показали [162], что с ростом концентрации Р в а-железе от 0,003 до 0,3 % и при снижении температуры адсорбционного отжига от 1073 до 673 К концентрация его на границах зерен приближается к 100%. [c.116] Абсолютные значения -70, =375 и iV =- 120 мДж/м. [c.118] Оценку возможных изменений энергии межзеренного сцепления под влиянием межкристаллитной внутренней адсорбции полезной примеси, для которой Од/Од 1 приведем для весьма интересного при развитии отпускной хрупкости случая — твердого раствора углерода в а-же-лезе. Полученные методом трековой авторадиографии данные [164] о равновесной адсорбции углерода на границах зерен при 773 и 873 К дали нижнюю оценку степени заполнения в, что позволило получить по формуле (3) нижнюю оценку энергии связи атомов углерода с границами зерен F 0,65 эВ. [c.118] Приведенные оценки показывают, что при Г = (0,4—0,5) — достаточно высокой для достижения равновесного распределения примеси между объемом и границами зерен за разумное время, — в результате межкристаллитной внутренней адсорбции опасных примесей поверхностная энергия образуемых при межзеренном хрупком разрушении новых поверхностей может снизиться более чем на порядок. [c.119] Этот результат позволяет объяснить легкость зарождения и развития межзеренных хрупких трещин и значительное повышение критической температуры перехода от вязкого к хрупкому разрушению. Связь между изменением и сопротивлением разрушению будет проанализирована более подробно в п. 5 в свете современных представлений о микроскопическом механизме различных стадий процесса разрушения. [c.119] На рис. 39 представлено изменение а , а л W с температурой отжига Т примерно для 20 различньзх твердых растворов на основе а-желе за. Энергию связи F примесных атомов с границами зерен из-за недостатка экспериментальных данных приближенно оценивали в рамках жидкостной модели (см. гл. II). Полученные таким образом значения F, а также значения Од, использованные в расчете, приведены в табл. 2. Значения а. и =0 .д указаны выше. [c.119] Из рис. 39 и табл. 2 видно, что результаты такого сопоставления качественно согласуются с экспериментальными данными о межзеренной хладноломкости твердых растворов на основе а-железа. Для систем, по которым отсутствуют экспериментальные данные, результаты расчета имеют характер прогноза. [c.120] Таким образом, лолученные результаты позволяют объяснить причину противоположного воздействия фосфора и углерода на сопротивление межзеренному разрушению при развитии обратимой отпускной хрупкости. [c.120] Прямые экспериментальные подтверждения этих представлений приведены на рис. 19. В работе [124], из которой заимствованы данные для рис. 19, сопоставляли концентрации фосфора и углерода, найденные методом Оже-спектроскопии на границах зерен а-железа, со значением интеркристаллитной составляющей на хрупких изломах образцов, разрушенных в камере Оже-спектрометра при температуре 153К. [c.120] Кроме того, учет в 159 различий в атомных размерах примеси и растворителя приводит к тому, что при прочих равных условиях более крупнь е, чем р аст-воритель, адсорбированные атомы, оказываются более опасными , чем это следует из рис. 39, а примеси с меньшим, чем у растворителя, размером атомов — более полезными . Этот вывод не является бесспорным, так как размеры атома примеси в решетке растворителя и собственной решетке обычно сильно отличаются, и, помимо этого, атомы малого размера могут адсорбироваться на границах по типу раствора внедрения, а не замещения. [c.120] Вернуться к основной статье