Материал: Физика металлов и дефекты кристаллического строения

и твердые тела с наиболее прочными межатомными связями (тугоплавкие металлы, ковалентные кристаллы и т. д.).

Поверхностное натяжение на границе зерен (кристаллов) одной и той же фазы называют зернограничным натяжением, или зернограничной энергией.

6.11. ОБЪЕМНЫЕ ДЕФЕКТЫ

Объемные дефекты имеют размеры одного, порядка вели­ чины в трех измерениях и на несколько порядков превышают размеры точечных дефектов. К этому типу дефектов относятся субмикропоры, являющиеся результатом изотропного роста •скоплений вакансий, субмикропузыри, сегрегации, субмикро­ трещины и т. д.

Субмикропузыри образуются при наличии в металлах рас­ творенных газов, которые приводят к стабилизации исходных субмикропор в связи со значительным внутри них давлением.

Сегрегации инородных атомов (иногда в форме зон Гинье — Престона) представляют собой области в сплавах, обогащен­ ные атомами легирующих элементов. Их возникновение связы­ вается исследователями с начальной стадией распада пересы­ щенных твердых растворов, после которой следует образование зародышей второй фазы.

Субмикротрещины возникают под действием сдвигового на­ пряжения в результате слияния дислокаций в начале дислока­

лость.

При значительном росте субмикродефекты (микротрещины, микропоры, микропузыри газов, дисперсные включения) обна­ руживаются с помощью оптического микроскопа. При боль­ шой концентрации микропор и микропузырей образуются сверх­ решетки, содержащие вакансии и дислокации.

К дефектам кристаллического строения также относятся

микронапряжения, локализованные в пределах зерен поликри­ сталла, обусловленные избытком дислокаций одного знака, дендриты, возникающие в результате микроскопической ликва­ ции, плены (в литых металлах), представляющие собой тонкие шлаковые или окисные пленки внутри металла, непровары, со­ провождающие сварку плавлением и т. д.

Микродефекты (трещины, поры, газовые пузыри и т. д.) мо­ гут возникать как результат дальнейшего собственного разви­ тия, появляться при переходе металла из жидкого в твердое состояние, при полиморфных превращениях, при обработке ме­ таллов, они могут быть связаны с фазовыми превращениями, воздействием неоднородных тепловых полей, неравномерной пластической деформацией и т. д.

ДИФФУЗИЯ в МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ

Атомы, находящиеся в узлах кристаллических решеток, со­ вершают не только колебательные движения по отношению к центрам своего равновесия, но обладают большой способностью к перемещениям и могут переходить из одних узлов решетки в другие или в междоузлия. Такие перемещения атомов назы­ ваются диффузией. Определяющим фактором диффузионных процессов является температура металла. Если при низких тем­ пературах скорость диффузии настолько мала, что не может зрительно быть обнаружена, то при высоких температурах, на­ пример выше 1000°С, она может быть легко установлена в же­ лезе, меди и других металлах.

В чистых металлах диффузионные процессы реализуются собственными атомами, а их перемещение называется самодиффузией. В многокомпонентных системах диффузия может осу­ ществляться как перемещением собственных атомов, так и ато­ мов примеси, легирующих элементов. Поэтому диффузия в та­ ких системах называется гетерогенной диффузией, или просто диффузией. Чтобы частица, находящаяся в узле решетки, могла покинуть свое нормальное состояние, она должна получить до­ бавочную тепловую энергию, называемую энергией активации, которая в зависимости от мест расположения атомов различна. У атомов, находящихся на поверхности кристалла и имеющих значительно меньшую связь со своими соседями, энергия акти­ вации минимальна по сравнению с атомами, находящимися внутри объема кристалла. Поэтому различают поверхностную диффузию и объемную. При достаточной величине энергии активации атом, находящийся на определенном расстоянии от соседней вакансии, может «перепрыгнуть» в нее. В связи с тем, что тепловая энергия распределяется между атомами неравно­ мерно, ее флуктуация создает условия, при которых в резуль­ тате взаимодействия между соседними атомами один из них

может быть отброшен в любом направлении. Следовательно, для пары атомов нельзя предсказать направление их движения, оно может быть случайным. В то же время при большом коли­ честве движущихся атомов возникает устойчивый поток, при­ водящий к выравниванию концентрации.

Диффузионные процессы всегда происходят при отклонении системы от термодинамического равновесия, вызванного, на­ пример, неравномерным распределением атомов примеси или легирующих элементов, неравномерной концентрацией вакансий и т. д. Процессы выравнивания в этом случае будут протекать до тех пор, пока химические потенциалы отдельных компонен­ тов не станут равными, пока не наступит равновесная концен­ трация.

Диффузионные процессы играют большую роль при обра­ зовании зародышей и росте новой фазы в процессе кристалли­ зации, при фазовых превращениях, при химико-термической об­ работке металлов, при спекании порошковых систем и т. д.

7.1. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ДИФФУЗИИ

Диффузионный перенос вещества можно наблюдать тогда, когда в начальный момент имеет место неравномерное распре­ деление компонентов, например вдоль продольной оси длинного образца. Если такой образец длительное время выдерживать при высокой температуре, близкой к температуре плавления, то атомы будут перемещаться вдоль образца до тех пор, пока не произойдет выравнивание состава. При этом в образце возни­ кают макроскопически определяемый поток растворенных ато­ мов и поток атомов основного металла, направленный противо­ положно первому. Поэтому, говоря о диффузии, имеют в виду именно макроскопический поток, а не движение отдельных ато­ мов, из которых он складывается.

Впервые качественный метод расчета диффузии предложил А. Фик. Исходя из его рассуждений предположим, что имеется длинный образец, поперечное сечение которого перпендикулярно градиенту. Так как количество растворенных атомов А с одной стороны сечения больше, чем с другой, то при высоких темпе­ ратурах возникает устойчивый поток атомов А со стороны с большей концентрацией к меньшей, следствием чего будет ста­ тистическое уменьшение градиента. Предположим, что объем­ ная концентрация с изменяется только вдоль оси образца и что концентрационный градиент дс/дх мал, а разность концентра­ ций между соседними плоскостями бесконечно мала. При этом каждый атом перемещается с прежнего места на последующие серией беспорядочных прыжков с частотой /. Допустим, что атомные плоскости с площадью, равной единице, расположены

чество атомов, перепрыгивающих из плоскости 1, составит Около половины этих прыжков произойдет в каждом из двух направлений, так что количество перепрыгивающих атомов в направлении 1 ->2 составит n\f8t/2. Аналогично с плоскости 2

щий ее скорость.

Выражение (7.1) представляет собой первый закон Фика, согласно которому диффузия рассматривается в виде непрерыв­ ного потока атомов, а количество продиффундировавшего ве­ щества прямо пропорционально площади поперечного сечения, градиенту концентрации вдоль направления диффузии. Физи­ ческий смысл коэффициента диффузии (D) состоит в том, что он соответствует количеству вещества, продиффундировавшего за 1 с через поверхность площадью 1 см2 при перепаде концен­ трации d c/d x= 1. Следовательно, коэффициент диффузии за­ висит от концентрации. Отрицательный знак в выражении (7.1) вводится потому, что градиент дс/дх принимает отрицательное значение, если направление диффузии считается положитель­ ным, т. е. сопровождается перемещением с участков, более бо­ гатых атомами данного компонента, к участкам, более бедным. Из статистического закона следует, что скорость потока про­ порциональна градиенту концентрации, а поток направлен в сторону уменьшения концентрации.

Первый закон Фика описывает стационарное состояние диф­ фузионного потока, когда концентрация в любой точке не из­ меняется со временем.

При изменении концентрации в какой-либо области поток относится к нестационарному состоянию. В нестационарных си­ стемах, в которых градиент концентрации dc/dx зависит от вре­ мени, процессы диффузии описываются вторым законом Фика:

Если рассматривать D как независимую от концентрации вели­ чину, что строго выполняется только при самодиффузии, то в