ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Дефекты структуры и диффузия из "Строение и свойства металлических сплавов " Диффузионное перемещение атомов, по крайней мере, в случае вакаисионного механизма может быть реализовано, если в структуре металла имеются дефекты. Поэтому в общем случае естественно ожидать ускорения диффузии по мере уменьшения совершенства кристалла. Влияние дефектов структуры оказывается особенно значительным при пониженных температурах, когда энергия тепловых колебаний и флуктуация их недостаточны для активации диффузионного потока в совершенном кристалле. В этом случае начинают работать участки с дефектной структурой, в которых энергия активации процесса значительно меньше. И хотя количество таких участков может быть невелико, именно они определяют диффузионный поток при низких температурах. В этих условиях обычно наблюдаются малые значения величин Do и Q. Малая величина множителя о объясняется относительно малым числом участков облегченной диффузии. [c.118] Поверхности раздела в кристаллах — границы зерен и субграницы, границы фаз, внешняя поверхность — какова бы ни была их физическая модель являются средоточием структурных дефектов (дислокаций, избыточных вакансий) и, следовательно, создают пути облегченной диффузии. Аналогичное влияние должны оказывать нарушения, возникающие в результате пластической деформации, облучения частицами высоких энергий, фазовых превращений и растворения чужеродных атомов. Диффузия в связи с особенностями тонкой структуры металла определяет во многих случаях кинетику сложных процессов, изменение структуры и в конечном счете изменение свойств металлического сплава. [c.118] В мире структурных дефектов и аномальной подвижности выдающееся место занимают границы зерен. Поликристаллы, несмотря на развитие производства монокристаллов, остаются основным материалом, а границы зерна — одним из основных элементов структуры. [c.119] Конечно, вклад границ в общий диффузионный поток при высоких температурах относительно невелик. Однако важно, что существуют участки структуры с повышенной подвижностью, поскольку многие свойства, в том числе прочность материала, определяются локальным состоянием кристаллической решетки и процесс деформации и разрушения развивается локально. [c.119] Качественно влияние границ сохраняется и при процессе гетеродиффузии. Однако эффект границ, по-видимому, должен быть более четким в случае самодиффузии. При растворении чужеродного атома вокруг него создаются поле напряжений и избыточная энергия. Поэтому разница между состоянием атома внутри зерна н на его границе уменьшается в отличие от случая самодиффузии. В то же время примеси, концентрируясь на границе зерна, могут залечивать дефекты структуры и уменьшать различие в структурном состоянии границ и внутренних объемов зерен. Исследования, проведенные с помощью радиоактивных изотопов никеля и олова, показали закономерное в ряде случаев увеличение отношения Qrp/Qa при переходе от самодиффузии к гетеродиффузии и при введении в металл легирующих элементов и примесей [59]. [c.119] Многочисленные опыты подтверждают зависимость диффузии по границам зерен от состава приграничных участков. В серии металлографических исследований (Архаров) показано, что ванадий, титан, ниобий, молибден и бор задерживают диффузию никеля по границам зерен железа, а сурьма ускоряет подвижность атомов серебра вдоль границ меди. Это объяснено сильным разрыхлением кристаллической решетки меди вследствие большого различия кристаллографических структур сурьмы и меди. Подобно сурьме, железо ускоряет диффузию серебра в меди. Характерно, что отмеченное влияние сурьмы наблюдается только при малом содержании примеси. При более высоком содержании она располагается не только по границам, но и во всем объеме зерен, и диффузия серебра также идет в объеме зерна. [c.120] Введение примесей в сплаве может создать условия для диффузии элементов, не образующих твердые растворы [99]. Известно, что серебро не растворяется в железе, вследствие чего диффузия этого элемента не реализуется. Однако при введении в железо 0,2—1,0% Pd, располагающегося по границам зерна, возникает диффузия серебра в железе, которая также идет по границам зерна. [c.120] Роль дислокационной структуры вытекает главным образом из наблюдений преимущественной диффузии по субграницам, т. е. вдоль малоугловых границ, для которых наиболее применима дислокационная модель. Методом авторадиографии было отмечено влияние фрагментации структуры для случая самодиффузии железа [101], при диффузии никеля в ниобии, подвергнутом пластической деформации, а также при изучении диффузии цинка в монокристаллах алюминия, в котором размер субзерен колебался от 10 до 10 см. [c.121] Следует отметить, что скопления несовершенств в границах зерен и субграницах и повышенная диффузионная подвижность в этих участках весьма устойчивы и могут сохраняться после термической обработки, при которой меняется микроструктура, например после рекристаллизации или после фазовых превращений. Такая наследственная дефектность поверхностей раздела кристаллов обнаруживается именно вследствие значительной диффузионной проницаемости этих мест (см. гл. V). [c.121] В работе [105] была рассмотрена модель реального кристалла в виде упаковки шарообразных зерен. Граница между зернами в этой модели описывается как фаза с присущими ей равновесными и кинетическими характеристнками. Диффундирующее вещество распределяется между двумя фазами границей и объемом зерна. [c.122] В работе [106] теоретически рассмотрено влияние субструктуры на диффузионную подвижность. Принято, что диффундирующее вещество за время отжига проникает на расстояние, значительно превышающее размеры субзерен при этом концентрация вещества на границе и внутри субзерен одинакова. Обработка экспериментальных данных по диффузии олова в никеле показала, что коэффициент диффузии по границам субзерен может быть на несколько порядков больше, чем коэффициент диффузии внутри зерен. [c.122] Сравнительный анализ различных моделей количественного измерения диффузии по границам зерна [107] привел к выводу, что уравнение Фишера, которое наиболее широко применяется при расчете экспериментальных данных, мон ет дать завышенное значение энергии активации диффузии по границам зерна, особенно для малоугловых границ, если в опытах не выполняются определенные условия (малое время диффузии и достаточно высокая концентрация). Наиболее точными, хотя и наименее экспериментально удобными являются теории Уиппла и Сузуока [109,110]. [c.122] Во-вторых, остаются невыясненными причины ускоренной диффузии по границам зерен и связи этого ускорения со строением границ, в частности с их дислокационной структурой поскольку для большеугловой границы нет количественной модели. [c.123] Харт рассмотрел модель, описывающую влияние на объемную диффузию случайно распределенных дислокаций. Согласно этой модели, атомы произвольно диффундируют в матрице, пока не приходят в столкновение с дислокациями. Общее смещение представляет собой простую сумму среднеквадратичного смещения атомов в матрице и в дислокациях. [c.124] С понижением температуры эффект должен возрастать и поток, связанный с диффузией по отдельным дислокациям, может превзойти объемную диффузию (для серебра ниже 450° С, т. е. ниже 0,6 Тцл ), а при еще более низкой — и граничную. [c.124] По аналогии с моделью Фишера Смолуховский [111] рассмотрел задачу о диффузии в отдельной дислокационной трубке (цилиндре) с двумя потоками вдоль трубки и перпендикулярно к ней (отсос). Численное решение было дано в работе [112] оно показывает, что логарифм концентрации, как и в граничной задаче, линейно зависит от глубины проникновения и позволяет рассчитать из опыта ГоОц, где Го — радиус дислокационной трубки (величина, как и ширина границы, неизвестная). [c.124] Нужно отметить, что в подобных расчетах используется экспериментально неизвестная величина — радиус дислокационной трубки. Подобно ширине границы, в разных исследованиях она принимается различной. Отсутствие точной модели структуры дислокационного ядра дает большую свободу при расчетах коэффициента диффузии вдоль дислокаций. [c.125] При исследовании самодиффузии на малоугловых границах кручения бикристалла серебра Лоув и Шьюмон нашли, что скорость процесса по винтовой дислокации, по крайней мере, в 10 раз меньше, чем по краевой. Интересно отметить, что энергия активации для диффузии вдоль винтовой и краевой дислокаций примерно одинакова и составляет около половины энергии активации объемной диффузии, а множитель Dq для винтовой дислокации в 10 раз меньше. [c.125] Конечно, следует иметь в виду, что прямое количественное измерение проникновения вещества вдоль дислокационной трубки очень трудно, так как это количество очень мало. Были проведены опыты по измерению самодиффузии вдоль дислокации в цинковой фольге с помощью просвечивающей электронной микроскопии (Рожанский). По скорости округления дислокационных петель за счет линейного натяжения дислокаций определялся коэффициент диффузии вакансий. Рассчитанный из этих данных коэффициент самодиффузии цинка вдоль дислокаций на 10 порядков больше, чем коэффициент объемной самодиффу-зии 10 и 10 з см сек последний получен экстраполяцией. [c.125] Вернуться к основной статье