ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Вакансионные механизмы изменения свойств металлов из "Теория обработки металлов давлением " Наибольшее число публикаций последних десятилетий в области дефектов кристаллического строения совершенно справедливо относится к исследованию свойств и характера взаимодействий дислокаций. О них известно очень много, гораздо больше, чем нам необходимо для анализа явлений при помощи энтропийного или синергетического подхода. Некоторые сведения о границах мы привели в главе 2, но до сих пор практически ни слова не упомянули об одном из важнейших типов дефектов — точечных, к которым в первую очередь необходимо отнести вакансии. [c.97] Вакансии, как и другие дефекты атомно-кристаллического строения - примесные атомы, дислокации, границы, имеют свои характеристики - энергию образования энергию миграции объем V, поле напряжений Су г), где г - удаление от вакансии, концентрацию Представления об этом дефекте основаны на аксиоматике, сформированной не менее 50 лет назад [43]. Однако, на наш взгляд, трудности непосредственного наблюдения вакансий накладывают отпечаток на достоверность теории и интерпретации экспериментальных данных, не позволяют в полной мере реализовать возможный уровень свойств металлов, например пластичность, ударную вязкость и др. Рассмотрим некоторые важные свойства вакансий и особенности их поведения. [c.97] Последнее соотношение фактически определяет энергетический барьер для протекания любого взаимодействия, выраженный в напряжениях, в том числе и для образования вакансии. [c.98] Канонически принято, что образование вакансии происходит по схеме 1, представленной на рис. 3.1, и сопровождается релаксацией близлежащих атомов с уменьшением прежнего объема (под релаксацией в данном случае понимают смещение атомов со своих мест в узлах кристаллической решетки). В качестве альтернативы рассмотрим схему 2, по которой вакансия возникает с увеличением объема. [c.98] Простейший анализ, выполненный нами, показывает, что из двух возможных схем образования вакансий значительно более правдоподобной является схема 2 (см. рис.3.1), которая свидетельствует об энергетической невыгодности процесса. Интересно, что и обратный процесс заполнения вакансии оказывается так же невыгоден, как и образование вакансии А1Уу 0, Аг 0, Аа = -д/ Ws/дv 0. Подобный обратимый энергетический барьер существует и для других процессов разделения - восстановления, например, для разрушения и соединения металлов при пластической деформации. В предыдущей главе мы его назвали принципом сохранения созданного . [c.99] Образование вакансии связано с разрывом (и восстановлением при обратном процессе) связи ион - электрон, поэтому энергия образования данного дефекта должна быть порядка теоретической прочности Оо=Е/2к 1-Ь ), Е - модуль упругости, 6 - коэффициент Пуассона. При этом не существенно, что конкретно - атом или вакансия уходит в межузельное пространство. Следовательно, поскольку существует энергетический барьер как для образования, так и для рекомбинации вакансии, можно ожидать как ионной, так и электронной вакансии (рис.3.2) - дырки в зоне проводимости. [c.99] Отметим, во-первых, что подвижность электронной вакансии должна быть существенно выше, чем ионной из-за большой разницы в объемах электрона и иона. Во-вторых, образование электронной вакансии дает возможность получения свободного электрона проводимости, не стабилизированного межатомной связью. Энергетически и геометрически эти дефекты подобны, причем подобие геометрическое возникает из-за сходного характера релаксации близлежащих заряженных частиц. [c.99] Промежуточное положение между дислокациями и микротрещинами занимают, очевидно, дислокационные конфигурации (скопления, сплетения, жгуты, стенки и др.), для которых ст асш/ с-Составленная иерархическая лестница хороша уже тем, что позволяет оценить направленность самопроизвольных процессов в металлах более энергоемкие трещины (поры) при спекании испускают дислокации и вакансии [44], а дислокационные петли при высоких температурах захлопываются с испусканием вакансий [4] или перестраиваются в низкоэнергетические границы. Разность их энергий является основной движущей силой такого процесса. [c.101] Концентрацию вакансий Пуо интерпретируют как вероятность тепловой флуктуации с энергией w/ необходимой для образования вакансии. Тогда N( xp //kT) есть доля атомов, имеющих достаточную для образования вакансии энергию. [c.102] если изменение энергии при изменении концентрации вакансий равно нулю, то можно считать, что возникающие при повышении температуры вакансии ни с чем в системе не взаимодействуют и, следовательно, не могут быть обнаружены - случай виртуальных вакансий. [c.104] Заметим, что выполнение равенства (3.14) возможно не только при экспоненциальном увеличении значения но и при Апу = О, т. е. когда количество вакансий в металле при любой температуре остается неизменным, что хорошо корреспондируется с замечанием 3. [c.104] Все высказанные замечания дают основу для сомнений в правильности экспоненциальной зависимости Пуо(Т). [c.104] Оценки концентрации вакансий в меди и алюминии при комнатной температуре приведены в табл. 3.1. [c.105] Предлагаемая методика дает возможность приближенного определения общей концентрации точечных дефектов (вакансий и примесных атомов). [c.106] Таким образом, метод реологических моделей для определения концентрации вакансий показал, что значение Пу при повышении температуры самопроизвольно не возрастает. Это подтверждает положение, высказанное в п. I данного раздела. Естественно, что аналогичные результаты получим при использовании других аппроксимаций а(Е). [c.107] Конкретнее в области средних температур вакансии выпадают в виде избыточной фазы по границам зерен, изменяя свойства границ при высоких температурах вакансии растворяются в матрице, возвращая границам их свойства, а металлу - его пластические и прочностные характеристики. [c.108] Подобная постановка задачи и интерпретация явления должны быть в достаточной степени очевидными, так как вакансия в металле обладает вполне определенными свойствами - объемом, энергией, полем напряжений, зарядом (или, наоборот, отсутствием его), в связи с чем она может быть условно признана частицей другого вещества со всеми соответствующими особенностями поведения растворимостью, предельной концентрацией и т.п. Такая трактовка вакансий известна в литературе [9, 43]. Однако для решения задачи о влиянии вакансий на свойства металла необходимо затронуть вопросы их происхождения. [c.108] Будем считать, что вакансии, как и другие дефекты кристаллического строения, возникают в твердом теле во время его кристаллизации из расплава, при конденсации из газовой фазы или плазмы, во время пластической деформации. Однако, на наш взгляд, наиболее перспективным способом насыщения металла вакансиями можно считать распад дислокационных структур в процессах термического разупрочнения, начиная со стадии отдыха и кончая рекристаллизацией. [c.108] Таким образом, каждая дислокационная петля радиусом, например, 0,3 мкм, способна испустить = пг /с ЗТО вакансий при а - 0,362 нм. Простейший расчет показывает, что при общей плот-ности (протяженности) дислокаций р = 10 м/м, что обычно достигается при холодной деформации со средними и большими обжатиями, в 1 м содержится рД = 10 /0,5-10 = 0,5-10 дислокаций радиусом 0,3 мкм, I - длина петли таких дислокаций. [c.110] Отметим, что распад дислокаций при одновременной генерации вакансий может происходить только в условиях активно протекающей диффузии, т. е. при повышенных температурах во время термической обработки холоднодеформированного металла или во время горячей деформации. [c.110] Вернуться к основной статье