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

Предполагается также, что частица пропускает диффузионный

поток и что она когерентно связана с одним из зерен.

В результате скорость скольжения при наличии выделении равна

а — размер частицы.

Таким образом, диффузия контролирует процессы, играющие существенную роль в деформации при повышенной температуре, в том числе связанной с движением дислокаций, в частности пере­ ползание, формирование субструктуры, микроползучесть и ползу­ честь, проскальзывание и миграцию границ зерен и т. д. Диффузия является непосредственным механизмом деформации при высокотем­ пературной ползучести (механизм Херринга — Набарро).

Именно по этой причине при достаточно высоких температурах и малых скоростях деформации часто наблюдается совпадение зна­ чений энергии активации установившейся ползучести и самодиф-

фузии.

Исследование ползучести никеля в широком интервале напря­ жений 1 (0,25—28 кгс/мм2) и температур (400— 1000° С) дало энергию активации 65 ккал/г-атом, а энергия активации самодиффузии никеля

65.9 ккал/г-атом.

Хорошее соответствие наблюдается для тугоплавких металлов: для молибдена энергия установившейся ползучести 114,4 ккал/г-атом, а самодиффузии 115 ккал/г-атом; для ниобия ИЗ ккал/г-атом и

108ккал/г-атом соответственно.

Вработе Бринкмана сравнивали скорость ползучести и самодиф­

фузии железа в а- и у-состояниях при температуре полиморфного превращения 1183° К (910° С). Оказалось, что скорость ползучести a -железа примерно в 200 раз, а скорость самодиффузии в 350 раз

больше, чем у-железа.

Качественное соответствие отмечается часто для разбавленных

энергии активации ползучести на установившейся стадии и энергии активации самодиффузии, а максимум этих величин 124,6 и 119.9 ккал/г-атом соответственно наблюдается при одинаковом со­

держании молибдена, около 5%.

В сложных по составу гетерофазных сплавах картина более запу­

230

величин энергии активации ползучести и самодиффузии даже для чистых металлов. Следует иметь в виду, что сравнение параметров, описывающих ползучесть и диффузию, часто проводят без учета условий, в которых эти параметры определены. Не учитывается воздействие внешних условий — напряжений и деформации, струк­ туры металла и неравновесного состояния сплава на процессы диф­ фузии [18]. Нет сомнений, что между деформацией при высокой тем­ пературе и элементарными актами диффузии существует глубокая физическая связь.

Диффузия и сверхпластичность

Бочваром и Свидерской в 1946 г. впервые был введен в металло­ ведческую литературу термин «сверхпластичность». Суть этого явле­ ния [200] заключается в том, что в некоторых сплавах (например, А1—Zn) при определенных условиях 1 в области повышенной тем­ пературы и двухфазного состояния наблюдается очень низкая твер­ дость (провал твердости) и одновременно высокая пластичность (до 2000%) без признаков разрушения металла (рис. 77). Это явление в дальнейшем многократно исследовалось и наблюдалось на многих сплавах — алюминиевых, медных, железных, никелевых, кобаль­ товых, титановых, циркониевых, вольфрамовых и других.

Приведем некоторые характеристики сверхпластичности различ­ ных сплавов:

Однако до сих пор явление сверхпластичности не получило однозначного объяснения.

Предполагается, что большая пластичность получается за счет межзеренной деформации, при этом, однако, должен работать меха­ низм, ликвидирующий возможность разрушения металла. По мнению Бочвара [200], залечивание надрывов происходит за счет процесса массопереноса — так называемого диффузионного растворно-оса­ дительного механизма, когда происходит растворение одних частиц и рост других (коагуляция).

Именно процесс переноса является в данном случае решающим. Обратим внимание на то, что показатель, характеризующий зависимость от скорости деформации (т) в эмпирическом уравнении,

второй фазы.

231

где ст— напряжение;

е— скорость деформации;

К— константа, т. е. скорость деформирования пропорциональна напряжению не в первой степени, как полагается при диф­ фузионной ползучести (см. с. 221), а квадрату.

Поэтому в "условиях [сверхпластичности не действует механизм диффузионной ползучести. Вероятно, работают два механизма —• __ диффузионный и дислокационный, а эмпирическое уравнение должно со­

ответственно включать два члена. Иногда предполагается, что в

основе сверхпластичности лежит ме­ ханизм межзеренной деформации, однако аккомодация зерен, пред­ отвращающая образование пустот, происходит дислокационно —- за счет движения дислокаций к границам зерен и по ним. При этом

сверхпластичности. Автор исследовал сплав Zn—А1 эвтектоидного состава [40,6% (ат) А1]. Результаты металлографического и рентге­ ноструктурного анализа показали, что в деформированном сплаве при 250° С обе фазы равноосны без предпочтительной ориентации; исследование ползучести показало, что при температуре выше 200° С скорость деформации контролируется термически активируемым

232

процессом является перенос массы, т. е. диффузия. Поэтому темпе­ ратура должна быть достаточно высокой — 0,3—0,5 Тпл. Аргумент против такого предположения: диффузия идет во времени и не реа­ лизуется в условиях кратковременности процесса — опровергается тем, что атомы перемещаются на малые расстояния в условиях воз­ действия напряжений и деформации, ускоряющих диффузию. Кроме того, следует учесть, что процессы диффузии на границе фаз проте­ кают существенно быстрее, чем в объеме. Заметим также, что (см. с. 229) сглаживание неправильного рельефа границ зерен, обеспе­ чивающего межзеренную деформацию, может контролироваться

(на два порядка) ростом диффузионной подвижности атомов с одно­ временным 1 ростом пластичности (в два-три раза; до 330 и 140%

ности—диффузионной ползучести, дислокационной ползучести и скольжения по границам зерен — последний механизм наиболее популярен, поскольку с его помощью можно объяснить, почему даже при очень большой деформации (1000% и более) структура прак­ тически не меняется (зерна остаются мелкими и равноосными). Дислокационный механизм обычно опровергается тем, что дислока­ ционная структура при сверхпластичной деформации никогда не

наблюдалась.

В последнее время явление сверхпластичности наблюдалось

привел авторов к выводу о решающей роли механизма диффузионной

ползучести (Херринга—Набарро).

В работе [202] исследовались сплавы с о. ц. к. решеткой — ти­ тановые (Ti—Mn, Ti—Mo, Ti—Сг—А1—V) и медные (Си Zn).

Типичная кривая растяжения для сплава Ti + 8% Mn, полученная при 865° С, показана на рис. 78. Из графика видно, что деформация непрерывно возрастает вплоть до разрушения (верхняя кривая).

Величина m из соотношения а = К (ё)т зависит от фазового состоя­ ния. В случае испытания в двухфазной области зависимость lg сг—

—lg в линейна и/п=0,25, а в однофазной [3-области m зависит от ско­ рости деформации, а также температуры и при наименьшей скорости деформации (около 20 ДО-5 с -1) приближается к единице.

Авторы оценили энергию активации сверхпластичности (Q) из

Q 20 000 ккал/г-атом, что существенно меньше энергии активации самодиффузии титана (около 35 000 ккал/г-атом). Расхождение авторы объясняют тем, что в основе расчета лежат эмпирические

1 И, как полагают авторы работы, связанным с этим эффектом.

233