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

скорость переползания уменьшается. По этой же причине Выделение дисперсных частиц на границе полигонизованной структуры умень­ шает скорость самодиффузии и повышает стабильность полигонизо­ ванной структуры. Это, в частности, наблюдали в никелевом сплаве, подвергнутом слабой деформации (примерно 0,3%), нагреву при 550° С, 200 ч для полигонизации и старению при 700° С, при котором происходило выделение у'-фазы на дислокациях, образующих суб­

структуру [18].

Распространенный метод выявления полигонизованной струк­ туры по ямкам травления основан на обогащении границ субзерен примесями или дисперсными ча­ стицами и увеличением при этом травимости. Количественная оцен­ ка скорости сегрегации примесей на дислокациях была дана Кот­ треллом. Опыт показывает, что время насыщения сильно зависит от температуры.

Процесс образования вакансионных атмосфер Коттрелла вокруг дислокаций может реализоваться при наличии в кристалле избыточ­ ных вакансий 1 благодаря их диф­ фузии к дислокациям. Это приводит к замедлению движения дислока­ ций и к упрочнению. Можно было бы ожидать, что поскольку вакан­ сии легко исчезают на ступеньках,

то ступеньки быстро поглотят облако и эффекты будут кратковре­ менными. Однако это не так. В работе [180] была развита теория, из которой следует, что облако из вакансий может стабилизироваться в результате образования мельчайших пор (10~6 см): Такие поры весьма устойчивы, эффективно удерживают дислокации, а, следова­ тельно, могут вызывать сильное упрочнение. Они также могут быть зародышами более крупных пор.

Наличие дисперсных пор, трудно различаемых под микроскопом, отмечалось, в частности, в ионных кристаллах. Можно ожидать аналогичного эффекта и в металлах. Облако вакансий и мелкие поры образуются на дислокациях, если скорость подхода вакансий к дислокациям больше скорости их исчезновения на ступеньках.

В работе [182] при анализе взаимодействия дислокаций с точеч­ ными дефектами раздельно рассмотрено поведение инородных атомов и «собственных» дефектов решетки — вакансий и межузельных ато­ мов. Последние эффективнее влияют на движение дислокаций и опре­ деляют формирование атмосфер Коттрелла. Существенно также, что равновесное распределение примесей вдали от дислокаций насту­ пает значительно позже, чем вблизи нее. Показано, что учет влияния

1 Например, после облучения или закалки.

213

Перемещение вакансий определяет не только скорость полигонизации — предрекристаллизационной стадии, но играет ^также су­ щественную роль в процессах, протекающих вслед за ней, в процес сах первичной рекристаллизации. В работе [185] при электронно­ микроскопическом исследовании фолы алюминия высокой чистоты было замечено, что рекристаллизация происходит только при тол­ щине фольги больше 1500 А, в более тонких фольгах не наблюдается даже образования зародышей рекристаллизации. Это объяснялось тем, что при размере пластинок меньше некоторой критической вели­ чины нет избыточных вакансий, необходимых для процесса рекри­ сталлизации, поскольку они успевают продиффундировать к поверх­

во многих случаях (хотя и не всегда) совпадает с энергией активации самодиффузии, так как именно диффузия часто контролирует про­ цесс рекристаллизации. Физически это можно объяснить тем, что рекристаллизация определяется направленным потоком вакансий и, подобно коэффициенту диффузии, скорость рекристаллизации

зависит от температуры экспоненциально.

Однако заметим, что в общем случае энергия активации рекри­ сталлизации не имеет ясного физического смысла, поскольку рекри­ сталлизация — сложное явление, определяемое совокупностью ряда элементарных процессов.

Ползучесть и диффузия

Ползучесть — процесс деформации, зависящий от времени, наблюдается при напряжениях, значительно меньших, чем макроско­ пический предел текучести. Ползучесть наблюдается при комнатной и более низкой температурах, однако практическое значение имеет главным образом при повышенных температурах. Процессы диффу зии играют существенную роль, а в определенных случаях контро лируют деформацию металла при высоких температурах.

Анализ большого числа экспериментальных данных показывает, что ползучесть в широком интервале температур не удается охарак­ теризовать одним значением энергии активации. Это указывает на преимущественное влияние одного из механизмов ползучести в раз­

личных температурных зонах.

Так, например, для случая монокристалла алюминия предлага­ лись три механизма с тремя энергиями активации: связанные с прео­

В последнем случае энергия активации процесса совпадает с энер­

гией активации самодиффузии.

Ползучесть, как известно, имеет три стадии: логарифмическую (не нуждается в термической активации), установившуюся (отчетливо наблюдается при достаточно высоких температурах) и стадию, характеризующуюся быстрым возрастанием деформации, приводя­

щим к разрушению.

217

Большое практическое значение имеет вторая стадия. Она дает основной вклад в деформацию и характеризуется динамическим

равновесием между процессами упрочнения и возврата.

При высоких температурах, когда преобладает установившаяся стадия ползучести, энергия активации процесса чаще всего близка к энергии активации диффузии. Например, энергии активации пол-

Это свидетельствует о том, что именно процесс диффузии контроли­

рует ползучесть в данном слу iae.

Известно также, что на установившейся стадии ползучести про­ исходит процесс полигонизации с образованием субзерен и, сле­ довательно, скорость ползучести должна контролироваться про­ цессом переползания дислокаций. Таким образом, образование и дви­ жение вакансий играет важнейшую роль при ползучести.^

Именно эти представления легли в основу известной модели ползучести Виртмана, согласно которой на второй стадии дей­ ствуют многочисленные источники Франка—Рида в различных парал­ лельных плоскостях скольжения. При высоких температурах дисло­ кационные петли способны переползать, аннигилируя друг с другом,

а источники могут генерировать новые дислокации.

Скорость установившейся ползучести, контролируемая перепол­ занием, при малых напряжениях определяется следующим выраже­

где А — постоянная;

or — приложенное напряжение;

в пределах десятикратного изменения скорости ползучесуи. При высоких напряжениях скорость ползучести выше расчетной.

Исследовали также ползучесть очень чистых металлов, имеющих г. ц. к. решетки — серебра, меди, никеля и алюминия. Испытание ползучести проводили при таких температурах, при которых коэф­ фициент самодиффузии и отношение о!Е (Е нерелаксированныи модуль Юнга) были одинаковыми. Результаты показали, что скорость ползучести на линейной стадии возрастает в соответствии с теорией Виртмана пропорционально коэффициенту диффузии. Характерно, что при постоянных значениях D и а!Е скорость ползучести умень­ шается с уменьшением энергии дефектов упаковки исследованных металлов, что объясняется замедлением динамического возврата, поскольку затрудняются процессы переползания и поперечного

скольжения.

218

Когда происходит переползание дислокаций вдоль границ зе­ рен, то энергия активации в уравнении Виртмана должна совпадать с энергией активации не объемной, а граничной самодиффузии.

Как отмечено в работе [180, с. 259], величина энергии активации на установившейся стадии ползучести (Еп) зависит от конкретного

механизма отдыха на этой стадии.

В металлах, где динамический отдых реализуется с помощью механизма переползания дислокаций, отдых на установившейся стадии тоже совершается за счет переползания. Такая картина на­

минии, свинце, однако, вероятно, и в металлах с низкой энергией дефектов упаковки — меди, никеле и других. Зеегер объясняет это следующим образом: в металлах с высоким значением у энергия образования ступенек на краевых дислокациях (Ес) мала по сравне­ нию с энергией активации самодиффузии (£). В этом случае в тем­ пературном районе, в котором диффузия и соответственно пере­ ползание протекают достаточно быстро, концентрация ступенек вдоль линии дислокации обеспечивает равновесную концентрацию вакансий и процесс ползучести контролируется скоростью само­ диффузии, как это вытекает из теории Виртмана и показано экспери­

велика, и в процессе установившейся ползучести при обычных тем­ пературах термического образования ступенек не наблюдается. Однако они образуются в условиях ползучести, когда скользящие дислокации пересекают лес дислокаций и вновь соблюдается условие

пенек в процессе ползучести недостаточна, чтобы поддерживать равновесную концентрацию вакансий вблизи дислокационных ли­ ний. В такой ситуации значение Еп лежит между значениями, полу­ ченными из соотношений (403) и (402), т. е. Еп меньше Ес + Е, но

больше Е.

В работе [187] исследована высокотемпературная ползучесть хрома высокой чистоты (количество примесей меньше 0,0001%). Испытания проводили в условиях вакуума (10 6 торр) в интервале 816—982° С и для предотвращения сублимации хрома — в атмосфере чистого аргона при давлении, близком к атмосферному в интервале

1149— 1316° С.

Скорость ползучести была пропорциональна коэффициенту само­ диффузии хрома для температурного интервала (0,51 0,28) Тпл,

причем отношение e/D sg; 108 см-1. Энергия активации процесса также соответствовала энергии активации самодиффузии хрома

(73,2 ккал/г-атом).

Исследование поверхности образцов, испытанных на ползучесть, с помощью сканирующего электронного микроскопа показало очень

219