Файл: Бокштейн, С. З. Диффузия и структура металлов.pdf

отжига

при 7 8 0 ° С , 4 8 ч в р а с п л а в е индия, иллюстриру­

ющая

винтовые дислокации на

малоугловых границах

кручения в диффузионной зоне

металла .

Один из основных структурных

элементов поликрис­

таллического вещества — граница

зерна представляет

диф'фузии

затрудняется

тем, что нет строгой количест­

венной модели строения

высокоугловой границы — по­

верхности

р а з д е л а двух

смежных зерен с разориенти-

ровкой более 15—20 град . Более того, д а ж е в самых по­

соприкосновения. В

р а м к а х

дислокационных представле­

ний количественно

хорошо

описываются только малоуг­

но большом

расстоянии (вектор Бюргерса b<L

рассто­

яния м е ж д у

дислокациями) и их ядра не перекрываются.

Согласно модели Мотта,

граница — это

переходная

область, которая

состоит из

участков с хорошим и пло­

хим

сопряжением

решетки

(когерентных и

некогерент­

ных

участков) . В

последних

отсутствует

кристаллогра ­

невелико (п<С 1000 атомов), а

число плохих

участков

тем больше,

чем больше разориентация смежных

зерен,

и при Ѳ ^-50°

границу можно

рассматривать

как

неупо­

К

таким ж е представлениям приближается

модель,

предложенная Смолуховским, д л я

объяснения

некото­

рых

экспериментов по диффузии

вдоль границ

зерен.

Распространена т а к ж е

теория переходной

решетки

[108]: граница — это небольшая, примерно два

атомных

слоя, переходная область,

где атомы меняют свое рас­

терного д л я другой и с точки

зрения

кристаллографичес ­

кой ориентации

занимают

компромиссное положение

м е ж д у расположением

в смежных зернах. Б ы л а рассчи­

тана [187] переходная

решетка м е ж д у двумя кристалла ­

ми в чистом

металле,

что позволяет определить положе­

ние любого

атома

д л я

произвольной

разориентировки.

Расчет подтвердил

справедливость

дислокационной мо­

дели малоугловой

границы.

В последнее время детальный анализ структуры гра­

ниц зерен сделали

Ост и Ч а л м е р с [120]. Они

рассмотрели

экспериментальные

исследования,

имеющие

отношение

к структуре высокоугловых границ

зерен, начиная при­

ницах, а

т а к ж е исследования границ

зерен

с

помощью

ионного

микроскопа.

Согласно модели, разработанной

Бишофом

и

Ч а л -

мерсом,

л ю б а я граница в чистом металле состоит

из

ря­

да атомов, общих д л я двух кристаллов . П р и этом

в

слу­

чае малоугловых границ обоим к р и с т а л л а м

принадлежит

большинство узлов, хотя имеется некоторое

смещение

их,

границе могут

совмещаться. Н а рис. 29

показано совме­

щение вокруг

оси <1'00> д л я границы

с

углом Ѳ = 2 8 , Г .

В случае перекрытия решеток образуется

пространствен­

ная решетка совмещений, однако только

на границе есть

искажения кристаллов и тем большего,

чем

больше

от­

клонение от

коэффициента

«идеального

совмещения».

В модели

«совмещения»

границу можно

т а к ж е

рас­

пенчатой

структуры (см.

рис. 29, <Э)-

Хотя,

к а к у к а з ы в а ю т

авторы, нет решающих экспе­

рения, в частности опыты по исследованию

анизотропии

зернограничной диффузии . И з м е р я л а с ь

[121]

самодиф­

фузия серебра вдоль и в перпендикулярном

направлении

к границе зерна бикристалла в зависимости

от

угла

ра-

зориентировки. Из рис. 30 видно, что анизотропия

диф ­

фузии по границам зерен Ри/Рх

уменьшается

(с

15 до 2)

по мере увеличения 0. Однако

д а ж е в

высокоугловых

может считаться

бесструктурной — при

отсутствии ори­

ентированной

структуры

следует

ожидать

Р\\/Р

±. —

1

(Р — глубина

проникновения A g ) .

Интересные данные д л я анализа вопроса

получены

при

изучении

кинетики

миграции

зерен.

Б ы л а изучена

[122] скорость

д в и ж е н и я

высоко­

угловых

границ

бикристалла

свинца, полученного зонной очи­

сткой, в зависимости от темпера­

туры, концентрации

примесей

и

кристаллической

ориентировки

смежных

зерен. Автор

различает

два

типа

высокоугловых

границ:

«случайные»,

или

неупорядочен­

ные

(Ѳ =

15-7- 60°), и специальные»,

или

упорядоченные

(Ѳ = 23 и 40°).

При одинаковых условиях упоря­

доченные

границы

двигаются

в

15 20

so

40

100

раз

быстрее,

чем

неупорядо­

ченные, а увеличение

с о д е р ж а н и я

Ѳ, град.

Рис.

30.

Анизотропия

олова до 0,005% уменьшает ско­

рость миграции

неупорядоченных

зернограничной

диффу­

граииіц пр'и300°С,

по

крайней ме­

зии в зависимости от уг­

ла разориентировки

зе­

ре,

на д в а порядка

(рис. 31). Со­

рен

в серебре

[121]

ответственно

увеличение

концент­

ченных границ

с

62,7

до 167,2 кдж/г-атом

(с

15 до

40 шал/г-атом).

Д л я

упорядоченных

границ

она прак­

тически

постоянна

и

равна

только

25,1

кдж/г-атом

(6 ккал/г-атом)

(рис.

32).

Таким образом, по свойствам различные типы высо­

коугловых границ

могут сильно

различаться .

Получен­

ные результаты можно объяснить следующим

образом:

когда два

смежных кристалла

оказываются на

границе

ные атомы адсорбируются

практически только в

самом

ядре. В этой зоне диффузия

атомов растворенного

вещест­

ва происходит быстро, и они не тормозят движение

грани­

цы, легко перемещаясь вместе с ней. Отклонение

от иде­

ального соотношения ориентации эквивалентно

образо-

Л П

1

1

I

I

I

I

О

.0,002

0,004

0.006

Sn, % (по массе)

Рис. 31. Скорость

V движения

границ

зерен

свин­

ца при 300°С в зависимости

от содержания оло­

ва

в

растворе [122]

ванию 'более

широкого

дислокационного

ядра;

возраста­

ет область деформаций

и

взаимодействие, с

примесями

за пределами ядра, где решетка

мало искажена .

Здесь

диффузия примесных атомов замедленна и существенно

тормозит движение границ. Чем

больше

отклонение

от

идеального совмещения, тем больше влияние примесей.

Так,

например,

исследования

сегрегации

кислорода

на

границе зерен иридия с помощью автоионного микроско­

па п о к а з а л и

что

границы

с

-^іа

Мпщт/йя*^

высокой

плотностью

совме-

щенных узлов свободны от %mikS)-

границы

примесей

кислорода

[128].

Исследовалась

т а к ж е

%і25(зо)\-

подвижность

границ

зерен

f

9

бикристалла

свинца

зонной

|

(2°)[j

очистки

без

примесных до -

<

/

о

Упорядоченные

бавок.

Анализ

данных

при-

>|

границы

-огг>

•—°-

водит

к

выводу,

что

наи-

•=»" о

о

_І_

меньшую

энергию

актива­

0,00010,00050.0010 0,0015 0.00200

ции

д в и ж е н и я

имеют

гра­

Sn,%(no моссе)

ницы

зерен

с

теоретически

Рис. 32.

Зависимость

энергии

•предсказанными

соотноше­

ниями

ориентации

совме­

активации Q

движения

границ

щенных

решеток

[123]

(23,

зерен свинца

от

содержания

олова

[122]

28 и

37°

вокруг

< 1 0 0 » .

Однако точно

не

известно,

объясняются ли

неодина­

ковые

скорости

миграции

границ

только

разнообра ­

зием их структуры или различным взаимодействием раз ­

ной структуры с примесями . Во

всяком случае, примеси

увеличивают

различия

скорости

миграции

упорядочен­

ных

и

неупорядоченных

границ (см. рис.

31).

Примерно

такие

ж е

закономерности были

обнаруже ­

ны при исследовании движения единичных границ зерен

алюминия с контролируемой ориентацией кристаллов и

контролируемым содержанием в растворе малых коли­

честв примесей

меди

[120].

В

ряде работ

отмечено

т а к ж е ,

что

сегменты

чисто

на­

того

кручения,

что объясняется разницей в

структуре

ядра

наклонной

границы и границы кручения

(наличие

и отсутствие свободного объема) ; последнее

в

свою оче­

редь

объясняется различием м е ж д у ядрами

винтовых и