 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
ДИФФУЗИЯ
Рис.11. Схема определения вектора Бюргерса для линейной дислокации: а – схема плоскости реального кристалла; б – решетка совершенного кристалла
шесть межатомных расстояний снизу вверх: АВ, ВС, СD и DЕ. Контур замкнется на участке DА, который будет состоять только из пяти отрезков. В кристалле, в котором отсутствовали дислокации, этот участок так же, как и предыдущие, состоял из шести отрезков. Разность протяженности контуров АЕ называют вектором Бюргерса и обозначают b. Разность контуров имеет величину порядка межатомных расстояний (10 -8 см).
Определение вектора Бюргерса для кристалла, содержащего винтовую дислокацию, производят аналогично. В краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен к ее линии, а у винтовой — параллелен ей. Если вектор Бюргерса охватывает несколько дислокаций, то величина его соответствует геометрической сумме векторов отдельных дислокаций. Вектор Бюргерса позволяет найти силы, требуемые для продвижения дислокации, силы взаимодействия и энергию дислокаций и т. д.
Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов (при срастании зерен и блоков) из группы вакансий, а также в процессе пластической деформации и фазовых превращений.
Силовые (упругие) поля дислокаций взаимодействуют между собой. Если дислокации, расположенные в одной плоскости скольжения, обладают одинаковым знаком, то они отталкиваются одна от другой (рнс.12,а); если дислокации разного знака, то они взаимно притягиваются (рис.12,б).
а) б)
 |
Рис. 12. Схема взаимодействия дислокаций, лежащих в одной плоскости скольжения
Сближение дислокации разного знака приводят к их взаимному уничтожению (аннигиляции). Дислокации не могут обрываться внутри кристаллита. Они могут прерываться на других дислокациях или на границах раздела (границы зерен, поверхность кристалла и т.д.).
Рис.13. Дислокационная структура коррозионно-стойкой стали ( х 33000)
В связи с этим внутри кристалла дислокации образуют замкнутые петли или взаимосвязанные сетки.
Важной характеристикой дислокаций является плотность. Под плотностью дислокаций понимают суммарную длину дислокации, приходящуюся на единицу объема кристалла (см3). Таким образом, размерность плотности дислокаций (см-2).
q = ∑ l / V.
Плотность дислокации экспериментально определяют путем подсчета числа выходов дислокаций, пересекающих единицу площади металлографическою шлифа. При травлении металлографического шлифа на его поверхности можно выявить ямки или точки, соответствующие выходу дислокаций.
Плотность дислокаций определяют также непосредственно изучая структуру тонких пленок металла «на просвет» в электронном микроскопе. На рис.13 показаны следы травления дислокаций, расположенных по границам блоков железа. Подсчитывая число таких точек, определяют плотность дислокаций.
Поверхностные дефекты. Эти дефекты малы только в одном измерении. Они представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами или их блоками (субзернами) поликристаллического металла.
Каждое зерно металла состоит из отдельных блоков, или субзерен, образующих так называемую мозаичную структуру, или субструктуру (рис.14.а). Зерна металла обычно разориентированы относительно друг друга на величину, достигающую от нескольких долей градуса (малоугловые границы) до нескольких градусов или нескольких их десятков (высокоугловые границы).
Блоки, или субзерна, повернуты по отношению друг к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут (малоугловые границы), имеют размеры на три-четыре порядка величины меньше размеров кристаллитов (10-6 — 10-4 см). В пределах каждою блока, или субзерна, решетка почти идеальная, если не учитывать точечных несовершенств. Размеры блоков, или субзерен, оказывают большое влияние на свойства металла. Границы между
 |
Рис.14. Блочная (мозаичная) структура металла:
а – схема зерна и блочной структуры; б – реальная блочная структура металла (х20 000); в – дислокационная структура границ блоков ниобия (х44 000)
отдельными кристаллитами (зернами) представляют собой переходную область шириной в 5—10 межатомных расстояний, в которой решетка одного кристалла, имеющего кристаллографическую ориентацию, переходит в решетку другого кристалла, имеющего иную кристаллографическую ориентацию.
В связи с этим на границе зерна атомы расположены менее правильно, чем в объеме зерна (рис.15). Кроме того, по границам зерен в технических металлах концентрируются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. Несколько меньшие нарушения наблюдаются на границах блоков или субзерен.
Границы блоков, а также малоугловые границы зерен образованы дислокациями (см. рис.14, а). С увеличением угла разориентировки блоков или субзерен и уменьшения их величины плотность дислокаций в металле увеличивается. Вследствие того, что в реальном поликристаллическом металле протяженность границ блоков и зерен очень велика, количество дислокаций в таком металле огромно (104-1012 см-2). Атомы на границах зерен (или субзерен) имеют повышенную потенциальную энергию. Такую повышенную энергию имеют и атомы, расположенные на поверхности кристалла, вследствие нескомпенсированности сил межатомного взаимодействия.
ДИФФУЗИЯ
Многие процессы, протекающие в металлах и сплавах (процесс кристаллизации, фазовые превращения, рекристаллизация, процессы насыщения поверхности другими компонентами), носят диффузионный характер.
 |
Рис.15. Модель размещения атомов в области границы зерна металла
Рис.16. Механизмы перемещения атомов в кристаллической решетке металла
 |
Под диффузией понимают перемещение атомов в кристаллическом теле на расстояния, превышающие средние межатомные расстояния данного вещества. Если перемещения атомов не связаны с изменением концентрации в отдельных объемах, то такой процесс называется самодиффузией.
Перемещение атомов, сопровождающееся изменением концентрации, происходит в сплавах или в металлах с повышенным содержанием примесей и называется диффузией или гетеродиффузией,
В основе процесса диффузии в кристаллах лежит атомный механизм, при котором каждый атом совершает более или менее случайные блуждания, т.е. ряд скачков между различными равновесными положениями в решетке. Любая атомная теория диффузии должна начинаться с рассмотрения механизма диффузии. Прежде всего следует ответить на вопрос: каким образом данный атом перемещается из одной позиции в другую.
Для описания процесса диффузии в твердом кристаллическом теле (металле) предложено несколько возможных механизмов диффузии: циклический, обменный, вакансионный и межузельный (рис.16).
По циклическому механизму диффузионный перескок представляет собой совместное перемещение (циклическое вращение) группы атомов (например, четырех, рис.16,а). Такое вращение не требует большой энергии, но маловероятно. Обменный механизм (рис.16,б) является частным случаем циклического (группа из двух атомов) и заключается в обмене соседних атомов. При вакансионном механизме атом обменивается с вакансией (рис.16,в), а при межузельном он переходит в состояние равновесия в ближайшее междоузлие (рис.16,г). В металлах диффузия преимущественно осуществляется по вакансионному Механизму. В этом случае, как видно из рис.16,в, на место вакансии 1 может переместиться атом 2, обладающий повышенной энергией. Вакансия окажется на бывшем месте этого атома, и ее может занять атом 3, и т.д.
При диффузии в металле элементов с малым атомным радиусом (С, N, Н) происходит диффузия по межузельному механизму (рис.16,г).
Скорость диффузии определяется количеством вещества т, диффундирующего через единицу площади поверхности раздела за единицу времени. Количество диффундирующего (в единицу времени) вещества т зависит от градиента концентрации dC / dx элемента в направлении, нормальном к поверхности раздела и пропорционально коэффициенту диффузии D:
m = - D ∙ dC / dx,
где dC – концентрация; dx – расстояние в выбранном направлении.
Эта зависимость получила название первого закона Фика. Знак минус указывает, что диффузия протекает в направлении от объемов с большей концентрацией к объемам с меньшей концентрацией. Если градиент концентрации изменяется во времени т, то процесс диффузии описывается вторым законом Фика:
dC/ dt= D ∙ d2C/ dx2 (2
При выводе этого закона принимали, что коэффициент диффузии не зависит от концентрации, что справедливо только для самодиффузии, поэтому уравнение должно решаться (и решено) для определенных граничных условий диффузии.
Коэффициент диффузии D(см2/с), т. е. количество вещества, диффундирующего через единицу площади (1 см2), в единицу времени (1 с) при перепаде концентрации, равном единице, зависит от природы сплава, размеров зерна и особенно сильно от температуры. Температурная зависимость коэффициента диффузии подчиняется экспоненциальному закону:
D= D0 e -Q/RT (3)
где D0 — предэкспоненциальный множитель, величина которого определяется типом кристаллической решетки; Q— энергия активации, ккал (г ∙атом); R— газовая постоянная, 1,987 кал/(мольС); Т— температура, К.
Энергия активации диффузии Qхарактеризует энергию связи атомов в кристаллической решетке. Чем выше значение Q, тем больше величина энергии, необходимой для перехода атома из одного равновесного положения в решетке в другое, также равновесное. Требуемый для такого перехода избыток энергии приобретается атомом от его соседей благодаря тому, что атомы непрерывно обмениваются кинетической энергией. Так как энергия активации входит в показатель степени, она очень сильно влияет на коэффициент диффузии. Наиболее легко диффузия протекает по поверхности и границам зерен, где сосредоточены дефекты кристаллического строения (вакансии, дислокации и т. д.). В связи с этим энергия активации по границам зерен (блоков) примерно вдвое меньше, чем в объеме, т. е. при объемной диффузии.
[1] Элементы с порядковым номером 57-71: Се (цернй), Рг (празеодим), Nd (неодим), Рm (прометий), Sm (самарий). Еu (европий), Gd (гадолиний), Тb (тербий), Dy (диспрозий), Но (гольмий), Еr (эрбий), Тm (тулий), Yb (иттербий), Lu (лютеций) - относятся к лантаноидам (редким землям). Элементы с порядковым номером 90—103: Тh (торий), Ра (протактиний), U (уран), Np (нептуний), Рu (плутоний), Аm (америций), Сm (кюрий), Вк (берклий), Сf (калифорний), Еs (эйнштейний), Fm (фермий), Мd (менделеевий), No (нобелий), и Lr (лауренсий) — относятся к актиноидам. Элемент 104 - Кu (курчатовий).
2 Эти элементы вводятся в сплав (сталь) в виде мишметалла, содержащего 40 – 45% Се и 45—50'% других редкоземельных металлов, ферроцерия (сплав Се и Fе и других РЗМ), дадима (сплав Nd и Pr) и др. В чистом виде эти металлы получить трудно.
Поиск по сайту: