Теория диффузии по неравновесным границам зерен и ее приложения

• Автор: Пупынин, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Белгород
• Количество страниц: 99 с. : ил.

1 Неравновесные границы зерен и контролируемые зернограничной диффузией процессы в поликристаллах

1.1 Неравновесные границы зерен и их свойства

1.2 Избыточный (свободный) объем границ зерен в субмикрокристаллических

(СМК) материалах

1.3 Зернограничная диффузия в СМК материалах

1.3.1 Феноменология зернограничной диффузии в поликристаллах

1.3.2 Экспериментальные данные по самодиффузии

1.3.3 Экспериментальные данные по гетеродиффузии

1.3.4 Механизмы зернограничной диффузии в СМК материалах

1.3.5 Влияние пластической деформации на диффузионные характеристики

границ зерен

1.4 Процессы, контролируемые зернограничной диффузией
1.4.1 Рост зерен в СМК материалах
1.4.2 Ползучесть субмикрокристаллических материалов
1.4.3 Сверхпластичность субмикрокристаллических материалов
1.5 Постановка задачи исследований
2 Диффузия по границам зерен с неупорядоченной атомной структурой
2.1 Модель диффузии по обычным границам зерен
2.2 Уравнения диффузии в неравновесных границах зерен
2.2.1 Описание модели
2.2.2 Самодиффузия
2.2.3 Диффузия атомов примеси
2.2.4 Диффузионное перераспределение неравновесного избыточного объема (диффузионное «возбуждение») границы

3 Влияние пластической деформации и отжига на диффузионные свойства границ зерен
3.1 Механизмы генерации неравновесного избыточного объема границ при.пластической деформации
3.1.1 Изменение неравновесного избыточного объема за счет попадания в границу деформационных вакансий из объема зерна
3.1.2 Механизмы генерации неравновесного избыточного объема при внут-ризеренной деформации
3.1.3 Генерация неравновесного избыточного объема при совместном протекании процессов ВДС и ЗГП
3.2 Ускорение диффузии при внутризеренной деформации
3.3 Ускорение диффузии в случае совместного протекания внутризеренной и межзеренной деформации
3.4 Возврат диффузионных свойств неравновесных границ зерен
3.5 Результаты численных расчетов
4 Теория аномального роста зерен в СМК материалах, полученных методами интенсивной пластической деформации
4.1 Генерация неравновесного избыточного свободного объема при миграции границ
4.2 Аномальный рост зерен в чистых материалах
4.3 Аномальный рост зерен в квазиоднофазных материалах
Выводы
Литература

Диффузия по границам зерен (ГЗ) играет важную роль в процессах, происходящих при пластической деформации и отжиге поликристаллических материалов при повышенных температурах. Зернограничное проскальзывание (ЗГП), являющееся основным механизмом сверхпластической деформации, диффузионная ползучесть Кобла, вызывающая нежелательную пластическую деформацию материала при эксплуатации деталей и элементов конструкций в условиях повышенных температур, рекристаллизация, ответственная за деградацию структуры поликристаллов, межкристаллитное охрупчивание, инициирующее разрушение материалов и т.д. — все эти явления напрямую связаны с диффузионными процессами, развивающимися на границах зерен [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].
Известно, что диффузия по границам зерен идет намного быстрее по сравнению с диффузией в решетке. Долгое время считалось, что энергия активации зернограничной диффузии является такой же константой материала, как и энергия активации объемной диффузии. Однако в последние десятилетия появились экспериментальные данные, указывающие на то, что величина коэффициента зернограничной диффузии зависит от состояния границ зерен.
Известно, что в специальных границах зерен, имеющих упорядоченную атомную структуру, процесс диффузии контролируется движением индивидуальных вакансий. В то же время до сих пор отсутствуют общепринятые теоретические представления о механизмах диффузии в обычных границах зерен. В случае обычных большеугловых границ с неупорядоченной атомной структурой представления о диффузии как движении индивидуальных вакансий оказываются неприменимы. Как показывают данные машинного моделирования, вакансии в неупорядоченной структуре таких границ при повышенных температурах неустойчивы и де-локализуются в результате релаксационных смещений соседних атомов.
Впервые понятие «неравновесные границы» употребляется в работе Памфри и Гляйтера [11]. В данной работе авторы выделяют три типа неравновесных границ зерен: а) границы с повышенной концентрацией вакансий; б) границы зерен с малым радиусом кривизны и в) границы, поглощающие решеточные дислокации.
Авторы монографии [7] предложили следующее определение неравновесных границ зерен: неравновесными являются границы, обладающие дальнодействующими полями напряжений вследствие поглощения ими решеточных дислокаций в процессе пластической деформации

Рис. 2.3. Кинетика изменения коэффициента зернограничной диффузии в точке х = <1/2 4, с для А1, рассчитанная для значений

параметров <1 = 1 мкм, Т = 0,4Тт.
Рис. 2.4. Зависимость коэффициента
зернограничной диффузии для А1 от
координаты х в различные моменты времени
х, мкм к 1 — 4 = 0. 02 с, 2 — * = 0,5 с, 3 — 4 = 1,5
с (Т = 0,4Тт, с1= 1 мкм).
объемом зерна, как и всюду выше, не учитывался. На рис. 2.3 представлена зависимость коэффициента зернограничной диффузии Бь от времени на расстоянии х = й/2 при температуре Т — 0,4Тт. Видно, что кинетика изменения Бь(х — <1/2,4) носит двухстадийный характер: на первой стадии коэффициент диффузии меняется незначительно, а на второй происходит его быстрый рост. Это связано с тем, что на первой стадии большая часть границы находится в равновесном состоянии, и диффузия происходит медленно, но в последующий период времени (на второй стадии), когда диффузионное перераспределение неравновесного избыточного объема (диффузионное «возбуждение») охватывает всю границу, она вся переходит в неравновесное состояние, и диффузионные процессы на всем ее протяжении существенно ускоряются. На рис. 2.4 приведены зависимости коэффициента зернограничной диффузии от координаты в различные моменты времени. Из рис. 2.4 видно, что при заданном значении й — 1 мкм коэффициент ЗГ диффузии Бь на всем протяжении границы быстро (в течение 4 = 1,5 с) возрастает примерно на порядок. Приведенный пример показывает, что даже если процессы генерации неравновесного объема [179, 180, 181, 182] осуществляются лишь на некоторых участках границы (или на некоторых границах зерен поликристалла), то постепенно вся площадь границ перейдет в неравновесное состояние.
Заметим, что приведенные результаты получены в предположении, что диффузией атомов из ГЗ в объем зерна можно пренебречь (т.е. выполняется режим С зернограничной диффузии [8]). Согласно [8], критерием реализации данного режима считается выполнение неравенства
Пз,