ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Механизм упрочнения композиций, армированных непрерывными и короткими волокнами из "Строение и свойства металлических сплавов " В настоящее время ведутся интенсивные работы с целью использования высокой прочности нитевидных кристаллов и создании новых конструкционных материалов. Изучение поведения нитевидных кристаллов различных материалов имеет большое теоретическое значение для выяснения многих вопросов физики твердого тела — теории прочности и пластичности, изучения магнитных явлений и т. д. Диффузия, фазовые превращения,, старение в усах должны протекать иначе, чем в обычных металлах. Поскольку прочность и кинетика многих процессов сильно-зависят от дефектов структуры, бездефектный нитевидный кристалл представляет собой великолепный, хотя и трудный для исследования, объект. [c.353] За последние годы разработано несколько лабораторных способов выращивания нитевидных кристаллов, среди которых наибольшее распространение получили метод конденсации из пара и метод химических транспортных реакций. Поскольку усы сапфира являются весьма перспективными с практической точки зрения, ниже рассматривается кинетика роста этих нитевидных кристаллов. [c.353] В работе [327] отмечало сь, что рост нитевидных кристаллов из газовой фазы подчиняется тем же закономерностям, что и рост монокристаллов из пересыщенного пара. Для описания роста усов существует модель Сирса, в которой рассматривается процесс соударения атомов из пересыщенной газовой фазы с боковой поверхностью кристалла, физическая адсорбция, поверхностная диффузия этих атомов к вершине нитевидного кристалла и десорбция тех атомов, которые за время жизни т в адсорбированном состоянии не достигли вершины кристалла [348], Атомы, достигающие вершины, встраиваются в решетку, например, на ступеньке аксиальной винтовой дислокации. [c.353] Нитевидные кристаллы сапфира а-АЬОз выращивались методом высокотемпературного (1350—1600 С) окисления порошка алюминия или сплава TiAb в потоке водорода с точкой росы около —40° с. Длина усов достигала 10—15 мм. В качестве примера на рис. 155 даны два кадра кинограммы, соответствующие различным стадиям роста усов сапфира. [c.354] Характерная кинетическая кривая роста усов сапфира при 1350° С приведена на рис. 156. Можно выделить три стадии начальную —с возрастающей скоростью, линейную— с постоянной скоростью роста и стадию затухания. Начальная стадия характеризуется экспоненциальной зависимостью длины кристалла от времени роста. Это следует из модели Сирса. В первые минуты роста длина нитевидного кристалла h меньше Я. — длины диффузионного блуждания адсорбированного атома или молекулы по боковой- поверхности растущего кристалла. Тогда все ударяющиеся и адсорбирующиеся на. этой поверхности атомы успевают достичь вершины кристалла и встроиться в решетку на ступеньке винтовой дислокации. [c.354] Это означает, что только те молекулы или атомы, которые адсорбируются на боковой поверхности площадью 2nRK, успевают за время жизни в адсорбированном состоянии достичь вершины. Остальные молекулы переходят обратно в пар. Согласно принятой модели, на первых двух стадиях радиус нитевидного кристалла R должен быть постоянным, т. е. в процессе аксиального роста не должно происходить утолщение. [c.355] Отклонение от линейности на стадии затухания обусловлено началом процесса утолщения нитевидных кристаллов. Остановка аксиального роста усов может быть связана с выходом винтовой дислокации из кристалла, выходом вершины растущего уса из зоны оптимального пересыщения, отравлением вершины примесью и интенсивным процессом утолщения нитевидного кристалла. На третьей стадии скорость роста усов непрерывно снижается (от 10 до 100 раз) по сравнению со скоростью линейной стадии за счет возрастания радиуса кристалла. [c.355] Если предположить, что переход от экспоненциального роста к линейному происходит при h X = (2Dx) (D — коэффициент поверхностной диффузии), то из кинетических кривых можно экспериментально определить среднеквадратичный путь блуждания X молекулы ио поверхности, а также время п от начала роста до точки пересечения линейного участка кривой, роста с осью абсцисс. [c.355] Среднее время т-г, определенное из 10 кинетических кривых.,, равно 1,5—2 мин при 1350° С. [c.355] Экспериментально (Сирс и др.) установлена качественная зависимость между линейной скоростью роста Umax и радиусом нитевидных кристаллов с увеличением R скорость Ущах уменьшается. [c.355] Следует отметить, что при повышенных температурах растут преимущественно толстые кристаллы. С повышением температуры величина vR сначала возрастает, достигая максимума при 1500°С, а затем падает (рис. 157). Следовательно, для интенсификации процесса роста усов сапфира нецелесообразно работать выше 1723° К (1500° С). Наличие максимума при 1723° К (1500° С) на основе анализа температурной зависимости. величин, входящих в формулу для скорости, объяснено в [329]. [c.356] Зависимость lg(vJ ) от обратной температуры для восходящей ветви оказывается линейной. Определение энергии активации процесса роста усов сапфира дало величину , равную 320 кжд(моль (75 ккал(моль). Она, по-видимому, представляет собой линейную комбинацию теплоты десорбции молекул АЬО, энергии jaKTHBBUHH поверхностной диффузии молекул и теплоты химичеса й реакции образования А1гО. Таким образом, результаты работы [329] позволили сделать вывод о том, что теория роста нитевидных кристаллов, разработанная для того случая, когда кристалл растет в окружении своего пара, применима также к кристаллам, получение которых сопровождается химическими реакциями. [c.356] Почти для всех исследованных до сих пор нитевидных кристаллов (пластичных и хрупких) обнаружена зависимость прочности от геометрических параметров — длины и пиаметра. [c.356] Прочность падает с увеличением этих параметров, причем наиболее резко в области малых пх значений. [c.357] В рамках статистической теории прочности масштабная зависимость объясняется присутствием в образцах различного рода структурных дефектов. [c.357] Роль поверхностных несовершенств в снижении прочности хрупких нитевидных кристаллов можно проиллюстрировать поведением усов сапфира. [c.357] Динамическую и статическую прочность усов сапфира при повышенных температурах впервые исследовал Бреннер. Он отметил две наиболее интересные особенности. Масштабная зависимость прочности при растяжении усов сапфира выше 1500° С отсутствует, а в интервале 1100—1400° С наблюдается резкое понижение предела прочности. Однако заметных следов пластической деформации не было обнаружено даже при 2000° С. Близкие результаты получены при изгибе усов сапфира при 700—1600° С. Однако в работе Солтиса была обнаружена пластичность усов сапфира ниже 900° С и даже при комнатной температуре. Наконец, недавние исследования [330] влияния ориентации, условий роста, примесей и Состояния поверхности на прочность нитевидных кристаллов сапфира при 350—1800° С привели к выводу о том, что данные Бреннера для зависимости прочности от температуры завышены. [c.358] На рис. 161 представлены данные по зависимости прочности усов сапфира различной ориентации в зависимости от площади поперечного сечения при температурах испытания (25, 1100, 1300, 1500° С). По данным [331], с повышением температуры разброс частных,значений прочности уменьшается, что, по-види-мому, связано с меньшим абсолютным значением прочности. Б пределах разброса нельзя установить влияния ориентации на прочность нитевидных кристаллов при повышенных температурах. [c.358] Своеобразное влияние на масштабную зависимость прочности нитевидных кристаллов оказывает легирование. На рис. 165 показана масштабная зависимость для усов меди и усов сплава Си —Ag. Серебро вводилось в усы методом диффузионного насыщения при 800° С. Нитевидные кристаллы меди с примесью серебра при диаметре больше 4,5 мкм прочнее усов чистой меди, тогда как если усы имеют меньшие диаметры, то медь оказывается прочнее. Кроме того, масштабный эффект для кристаллов Си — Ag проявляется гораздо слабее. [c.361] Различное влияние примесей серебра на толстые и тонкие усы меди можно объяснить следующим образом. В толстых усах, имеющих относительно большую плотность структурных дефектов, примесь серебра приводит к увеличению прочности. Это обусловлено действием обычных механизмов легирования, например упрочнения за счет образования твердого раствора или выделения частиц второй фазы. Как известно, растворимость серебра в меди понижается от 9,2% при 800° С до 0,1% при 20° С. Введение атомов серебра в тонкие усы приводит к нарушению совершенной кристаллической решетки и облегчает зарождение дислокаций на примесях, тем самым снижая прочность. [c.361] Вернуться к основной статье