Файл: Бокштейн Б.С. Термодинамика и кинетика диффузии в твердых телах.pdf

Таким образом, скорость переползания зависит от концентрации ступенек и скорости их перемещения, а следовательно и от скорости образования вакансий (или межузельных атомов).

Конечное выражение для скорости движения ступеньки вдоль дислокационной линии а в плоскости Q (рис. 66) имеет вид [50]

a Nl — равновесная концентра­ ция.

Из формулы (400) видно, что

направление смещения ступеньки

зависит от соотношения /ф и Fs. Рис. 66. Переползание произвольной дис­ локационной линии [50]

Аналогичное выражение можно получить для диффузии за счет

межузельных атомов. Только в этом случае энергии активации обра­

зования и движения дефекта Е[ и Е? значительно больше, а скорость движения ступеньки гораздо меньше, чем при диффузии за счет ва­ кансий.

Выражение (400) позволяет оценить диффузионную скорость дви­ жения дислокации также в процессе ползучести при постоянной кон­ центрации ступенек с,-. Так, например, для случая, когда на ступеньку действует малая суммарная сила F = Fj — Fs, а пересыщение ва­ кансиями ничтожно мало, выражение (400) можно разложить в ряд по малому параметру Fb2lkT и при вакансионном механизме диффу­ зии получается формула, связывающая диффузионную скорость сту­ пенек с приложенной силой (sin тф= 1):

V! = DciT r

При выводе выражений (400) и (401) предполагалось, что в ста­ ционарном состоянии поток вакансий, испускаемых ступеньками, совпадает с диффузионным потоком, идущим от дислокации под дей­ ствием градиента концентрации, т. е. сколько вакансий испускается на единицу длины дислокационной линии в секунду, столько и уно­ сится в объем. Именно это условие определяет стационарную ско­

новесная концентрация вакансий.

Анализ показал также, что пересыщение вакансиями макси­ мально, когда сила, действующая на ступеньку, мала. Это — случай, когда ступенька насыщена вакансиями и переползание контроли­ руется диффузией. Когда пересыщение отсутствует, сила, действу­ ющая на ступеньку, максимальна. Скорость переползания контроли­ руется скоростью образования вакансий на ступеньках. Это — слу­

ников вакансий, поскольку она равна отношению скорости пере­ ползания дислокаций к максимальной, контролируемой диффузией. Таким образом, скорость переползания тем выше, чем больше пере­ сыщение вакансиями и чем более эффективно дислокации испускают вакансии. Такая эффективность достигается благодаря высокой плотности ступенек.

Мы имеем дело с типичной многостадийной задачей гетерогенной кинетики, когда суммарная скорость процесса определяется ско­ ростью его наиболее медленной стадии. Такой стадией может быть и образование вакансий на ступеньках, и их диффузионное перемеще­ ние, и образование самих ступенек.

В стационарном состоянии энергия активации процесса перепол­ зания слагается из трех компонентов:

В пластически деформированном металле концентрация ступенек значительно больше равновесной. Например, при возврате дислока-

210

дии перемещаются не только переползанием, но также скольже­ нием, когда ступеньки легко образуются. Поэтому

Кроме того, в процессе возврата легко образуется также большее

Такая картина наблюдается, например, в процессе ползучести

или при испытаниях на усталость.

Существенную роль в процессе переползания играет энергия дефектов упаковки: если она высока, то энергия образования ступе­ нек мала и реализуется случай (403) или (,404).

Полигонизация и диффузия

При самых различных процессах при повышенных температурах часто наблюдается полигонизация структуры, особенно при нагреве деформированного металла. При этом именно переползание дисло­ каций существенным образом формирует тонкую, в частности полигонизованную структуру. В некоторых случаях субзеренная структура может возникать непосредственно путем зарождения дислокаций при деформации. Однако для этого требуются значительные напряжения. Более тривиальный случай — образование субграниц в результате перераспределения (за счет переползания) уже имеющихся дисло­ каций — металлографически хорошо наблюдаемых, например, при нагреве деформированного металла [18]. В результате процесса полигонизации кристалл разделяется на совершенные области коге­ рентного рассеяния (блоки) размером 10“ 3— 10 4 см с разориентировкой в несколько минут. В этом случае субграницы состоят из нескольких десятков параллельных дислокаций, принадлежащих одному или нескольким семействам плоскостей скольжения.

На основе теории дислокаций образование субзерен объясняется следующим образом: в кристалле может быть (и обычно бывает) неодинаковое число дислокаций разного знака. При нагреве в ре­ зультате процесса переползания и аннигиляции разноименных де­ фектов остаются дислокации одного знака — они выстраиваются в вертикальные стенки и образуют границы субзерен. Движущей силой такого перераспределения дислокаций является уменьшение упругой энергии при линейном расположении дислокаций.

Поскольку для образования полигональной структуры дислока­ циям приходится переходить с одной плоскости на другую, то ско­ рость полигонизации определяется термически активируемым про­ цессом переползания. Как было указано, необходимые для этого вакансии легче всего образуются на ступеньках, поэтому чем больше таких ступенек, тем скорость полигонизации выше и в соответствии с выражением (403) Еп *=» Е, т. е. скорость полигонизации опреде-

ЛйетСя энергией активации самодиффузии, что и наблюдается на опыте.

В работе [179] показано, что в изогнутом кристалле цинка выше 525° К энергия активации полигонизации Е ^ 22 ккал/г-атом, что соответствует энергии активации самодиффузии, а ниже 525° С — в три раза больше— 61 ккал/ч-ат. Очевидно, в последнем случае надо еще затратить работу на образование ступенек и в соответствии с фор­ мулой (402):

Е п = Е с - f Е- .

Если в металле много ступенек и образуется много избыточных вакансий, например в условиях одновременного нагрева и пласти­ ческой деформации (ползучесть, термомеханическая обработка и

другие), то в соответствии с выражением (404) Е п — Е " г, условия для полигонизации оказываются весьма благоприятными — процесс про­ текает быстро и полно.

В процессе нагрева размер ячеек субзеренной структуры может возрастать, а разориентировка их уменьшаться в результате так называемого процесса рекристаллизации на месте (in situ), связанного с диффузионным перемещением границ. При этом энергия активации процесса огрубления субструктуры ( Е г) при высоких температурах равна энергии активации объемной самодиффузии ( Е) , а при низких температурах выше Е ъ > >Е .

Большое и резкое изменение энергии активации кажется стран­ ным. Не исключено, что оно может быть связано с влиянием раство­ ренных примесей, которые до некоторой температуры могут сильно тормозить границу.

Известно, что кинетика полигонизации металла сильно зависит от его чистоты. Удаление примесей приводит к понижению темпера­ туры начала процесса. Так, согласно Тейдену, уменьшение общего содержания примесей в алюминии с 5-10~2% до 10~3% понижает температуру на 200° С. Аналогично при переходе от армко-железа к железу, полученному зонной плавкой (0,001% С), температура по­ лигонизации понижается с 850 до 200° С.

Одна из возможных причин состоит в том, что при уменьшении количества примесных атомов освобождаются вакансии, необходимые для процесса переползания.

В работе [180] отмечалось, что энергия (тепловой эффект), осво­ бождаемая при нагреве деформированного металла (меди или никеля), сильно зависит от чистоты металла (рис. 67). На стадии отдыха тепловой эффект обычно связывают с адсорбцией вакансий на дисло­ кациях, образующих субграницы полигонизованной структуры.

Всоответствии с этим Мотт объяснил замедление переползания дислокаций примесями. Механизм не вполне ясен, поскольку ско­ рость диффузии примесей обычно больше скорости самодиффузии.

Вданном случае необходимо, однако, учесть роль ступенек: при

взаимодействии примесей со ступеньками, более сильном, чем с остальной частью дислокаций, ступеньки, адсорбирующие при­ меси, теряют свою эффективность как источники и стоки вакансий и

212