книги / Строение и свойства металлических сплавов
..pdfот степени 1пересыщения. Расчеты показывают, что для ростакристалла с измеримой скоростью (примерно 1 мкм в месяц) степень пересыщения должна быть значительной — около 25— 40%. При меньших степенях пересыщения вероятность образова ния зародышей ничтожно мала. Однако эксперименты показы вают, что уже при степени пересыщения 3—4% процесс кристал лизации идет с заметной скоростью.
В действительности кристаллизация происходит так, как буд то в течение всего процесса на поверхности имеется источник ступеней, на которые садятся атомы кристаллизующегося веще ства. Согласно теории Франка [145], кристаллизация облегчается благодаря тому, что реальный кристалл не состоит из параллель но лежащих одна над другой плоскостей; его скорее можно пред ставить в виде одной плоскости, закрученной в виде геликоида..
Ступенька — выход на грань кристалла винтовой |
дислокации |
(рис. 65) — не залечивается ни адсорбцией атомов |
на поверхно |
сти, ни диффузией их к этой ступеньке.
Высота ступеньки, очевидно, равна или кратна параметру решетки, поэтому для наблюдений ступеней роста выгодно ис пользовать вещество с большим параметром кристаллической ре шетки.
В случае независимости скорости роста от кристаллографи ческого направления возникают круглые спирали. Если такая зависимость существует, то наблюдаются полигональные спира ли. При этом линия фронта роста обычно параллельна плотноупакованным направлениям на грани кристалла. При возник новении и взаимодействии нескольких спиралей образуется рель еф более сложной формы.
Спиральные ступени роста наблюдались на гранях берилла, карборунда и других кристаллов и явились одним из доказа тельств справедливости применения теории дислокаций.
Поверхностные дефекты (ступени роста, двумерные зароды ши) наблюдаются даже в нитевидных кристаллах (см. гл. VIII) _
Рис. 64. Различные положения частиц на по |
Рис. 65. |
Строение |
ступеньки |
H2 i |
верхности испаряющегося (или растущего из |
поверхности кристалла при |
вы |
||
пара) кристалла (Коссель, Странский) |
ходе |
винтовой |
дислокации! |
181:
Электронномикроскопические исследования на просвет весьма тонких (<1 мкм) пластинок сапфира, прочность которых при ближается к теоретической, свидетельствуют о наличии дефектов на поверхности.
В процессе роста существенную роль играет поверхностная диффузия. Последняя, как указывалось ранее, благодаря малой величине энергии активации протекает с большой скоростью, что оказывает влияние на кинетику роста. Так, опыты Фольмера показывают, что рост пластинок ртути из пара происходит за счет увеличения их площади, а не толщины, хотя большинство атомов пара конденсируется не по периметру, а по всей площади. Очевидно, адсорбированные атомы быстро диффундировали к краям пластинки, где и происходил рост кристалла. Роль по верхностной диффузии позволяет оценить также опыты П. И. Лукирского, который наблюдал на сферической поверхности кри сталла каменной соли после нагрева при относительно невысоких температурах (750° С) образование фигур, отвечающих симмет рии кристалла. Образование полиэдрической огранки вместо сфе рической объясняется приближением кристалла к равновесной форме, что реализуется благодаря поверхностной диффузии.
Рост кристалла по незавершенным граням при наличии де фектов энергетически более выгоден, так как адсорбируемые атомы вступают сразу в связь не с одним, а с двумя и более ато мами. Такой рост, следовательно, может протекать при меньших степенях пересыщения в случае совершенной поверхности расту щего кристалла. Однако такой рост не может продолжаться бес конечно, так как поверхность становится гладкой и в дальнейшем кристалл должен расти путем отложения двумерных зародышей на этой поверхности.
Г лава пятая
ПОЛИГОНИЗАЦИЯ
Общие соображения • Классификация процессов, протекающих при нагреве деформированного металла • Образование полигонизованной структуры • Влияние различных факторов на полигонизацию • Полигонизация в различ ных металлах • Полигонизация при полиморфном превращении • Стабиль ность полигонизованной структуры и влияние ее на свойства ф Рекристалли зация и диффузия • Эффект «наследственности»
Общие соображения
При нагреве деформированного металла, т. е. металла с боль шим числом дефектов, происходит серия процессов, приближаю щих состояние металла к исходному — до деформации, заклю чительным из которых является рекристаллизация! (детально рассмотренная в ряде монографий, например [146—148]). Среди этих процессов одним из наиболее интересных является процесс полигонизации. Он имеет место не только после пластической деформации и нагрева или при ползучести; полигонизованная структура возникает также в результате полиморфного превра щения [149], в процессе диффузии, при окислении и, очевидно, может образовываться при фазовых превращениях, особенно тех из них, которые идут с заметным объемным эффектом.
После холодной деформации (кроме случая чистого сдвига монокристаллов) кристалл содержит субзеренные границы, являющиеся следствием выхода дислокаций из своих плоскостей скольжения, взаимодействия дислокаций между собой и обра зования их сплетений. Процесс получает тем большее развитие, чем ниже энергия дефекта упаковки. Это состояние неустойчиво: при нагреве часть дефектов исчезает, а часть принимает более упорядоченное строение. В результате возникает сравнительно стабильная субструктура, когда отдельные совершенные участки кристалла — субзерна повернуты друг относительно друга на небольшой угол. Размеры субзерен и величина разориентировки колеблются в широких пределах (обычно от 10~3 см — до 10-4 см
иот нескольких минут до нескольких градусов). Чем ниже тем пература и чем выше (до определенного предела) степень дефор мации, тем меньше размер субзерен. Этому также способствует
иналичие легирующих элементов и примесей, взаимодействую
щих с дефектами структуры.
Структура, возникающая в результате процесса полигониза ции, принадлежит к числу «устойчивых» метастабильных струк-
183
тур, обладающих вместе с тем высоким сопротивлением пласти ческой деформации.
Классификация процессов, протекающих при нагреве деформировайного металла
Все процессы, происходящие до начала рекристаллизации, '•обычно определяют как явление возврата, в котором различают две стадии: отдых и полигонизацию.
Результаты рентгеновских исследований, измерения плотно сти и электронномикроскопического исследования монокристал лов кремнистого железа двух ориентаций (001) [ПО] и (001) [100] :после холодной прокатки и последующего нагрева позволили раз делить возврат на три стадии. На первой стадии (25—200°С) наблюдалось восстановление плотности (~50% ) без изменения твердости, микроструктуры и ширины рентгеновских линий. На блюдаемые изменения связывались главным образом с релак сацией вакансий.
На второй стадии (200—500° С) основные изменения связа ны главным образом с перестройкой дислокационных конфигу раций и постепенным уменьшением плотности дислокаций в ре зультате их аннигиляции без образования субструктуры. Замет ное падение твердости наблюдалось начиная примерно с 400° С.
На третьей стадии (500—800° С) наблюдается образование четко выраженной субструктуры; для этого требуется нагрев в течение 5 мин при 600° С и 1 мин при 800° С. Плотность дисло каций после отжига при 600° С в течение 25 ч составляет около Ю10 см2. В указанном интервале температур размер субзерен возрастает, твердость падает до твердости полностью рекристал-
Время, мин
:Рнс. 66. Кинетика восстановления предела текучести дефор
мированных образцов |
железа при |
различных температурах: |
||
-(; |
_ R) — доля прироста предела |
текучести |
сохранившего |
|
с я |
после возврата; А - |
(о/п— о г) Цат — оо), |
где ат ~ пре |
дел текучести после деформации, аг — предел текучести
после возврата, Оо — то же, в полностью отожженном со- •стоянии
.184
лизованного |
материала, одна- |
|
|
|
|
||||||
ко даже при 800° С рекристал |
|
|
|
|
|||||||
лизации |
не |
наблюдается. |
|
|
|
|
|||||
В процессе |
возврата |
сущест |
|
|
|
|
|||||
венно уменьшаются |
также на |
|
|
|
|
||||||
пряжения |
[146]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
При нагреве деформирован |
|
|
|
|
|||||||
ного металла выделяется энер |
|
|
|
|
|||||||
гия, |
накопленная |
при |
пласти |
|
|
|
|
||||
ческой деформации металла; в |
|
|
|
|
|||||||
процессе |
возврата |
выделяется |
|
|
|
|
|||||
только часть этой энергии# Ка |
|
|
|
|
|||||||
лориметрические |
исследования |
|
|
|
|
||||||
[146] показали, что при возвра |
|
|
|
|
|||||||
те меди выделяется только 3— |
|
|
|
|
|||||||
10% |
общей энергии, |
|
а основ |
|
|
|
|
||||
ная часть выделяется при ре |
|
|
|
|
|||||||
кристаллизации. |
|
Для |
алюми |
|
500 |
JOOO |
Г500 |
||||
ния и никеля количества энер |
|
||||||||||
гии, |
выделенной при возврате |
|
|
Время,пин |
|
||||||
и рекристаллизации, |
примерно |
Рис. 67. |
Кинетика |
разупрочнения |
поли-. |
||||||
равны. *В общем |
случае для |
кристаллического |
алюминия, деформиро-- |
||||||||
ванного |
в процессе |
нагрева при 225° С (ис |
|||||||||
г. ц. к. металлов |
|
чем |
меньше |
|
ходная деформация 30%). |
||||||
энергия |
дефектов |
упаковки, |
|
|
|
|
тем меньшее количество энергии выделяется в процессе возвра та, поскольку развитие дислокационных реакций, типичных для процессов возврата, затруднено.
Механические свойства некоторых металлов с низкой энер гией дефектов упаковки (никель, медь, латунь) при возврате изменяются слабо, что указывает на незначительное изменение дислокационной структуры. Другие металлы (алюминий, а-же- лезо) сильно разупрочняются. После слабой деформации меха нические свойства кремнистого и алюминиевого железа в резуль тате возврата при 700—800° С восстанавливаются полностью, при других температурах частично (рис. 66). Характерно, что раз упрочнение деформированного металла (например, алюминия, железа) при нагреве существенно ускоряется в случае приложе ния внешнего напряжения, вызывающего пластическую деформа цию (рис. 67), что, возможно, связано с ускорением перемещения вакансий и, следовательно, переползания дислокаций. Приложе ние знакопеременной нагрузки также способствует возврату [150].
Таким образом, основные структурные изменения при воз врате— уменьшение концентрации вакансий и перераспределе ние дислокаций — можно свести к двум стадиям: без образо вания субструктуры (отдых) и с образованием субструктуры с малоугловыми границами (полигонизация). Разумеется, такоеделение является условным и возможно наложение стадий. В не-
18Г
которых случаях одновременно наблюдаются зародыши рекри сталлизации, выросшие за счет полигонизованной структуры, и области полигонизованной структуры с субзернами больших размеров.
Ясно, что степень возврата свойств (отдыха) должна быть тем меньше, чем выше температура деформации. Так, после де
формации растяжением |
а = 83,6 |
Мн/м2 (8,5 кГ/мм2) |
поликри- |
|
сталлического алюминия |
при 78, |
194 |
и 293° К степень возврата |
|
при нагреве до 305° К соответственно |
была равна 14, |
10 и 5,7% |
||
от общего деформационного упрочнения (измерение |
возврата |
производилось при 78°К). Очевидно, что возврат частично проис ходил непосредственно в процессе деформации. Экстраполяция показывает, что мосле деформации при температуре несколько выше комнатной (~100° С) вообще нельзя обнаружить эффект возврата.
Таким образом, некоторая часть деформационного упрочне ния (равно как другие свойства — электросопротивление, уширение рентгеновских линий и др.) может быть восстановлена на стадии отдыха, когда еще нет миграции поверхностей раздела — границ зерен и субзерен.
Образование полигонизованной структуры
1_При нагреве деформированного металла на рентгенограммах можно наблюдать, как вытянутые в радиальном направлении рефлексы (астеризм) разбиваются на отдельные пятна, т. е. вме сто непрерывного перехода от одной ориентации к другой появ ляется набор дискретных ориентаций, различающихся не очень сильно (до нескольких минут). Эта картина характеризует про цесс полигонизации.
Образование субзерен в рамках теории дислокаций объяс няется тем, что одноименные дислокации при нагреве выстраива ются в стенки; при этом уменьшаются внутренние напряжения. Возможна следующая модель этого процесса1 В кристалле, изо гнутом с постоянным радиусом кривизны, параллельно оси изги ба, могут возникать как положительные, так и отрицательные дислокации с различной плотностью. Разность плотностей дисло
каций обоих знаков постоянна во всем объеме и равна А = — ,
Р Ь
где р — радиус кривизны, b — вектор Бюргерса. При нагреве про исходят переползание дислокаций из иХ плоскостей скольжения и аннигиляция, пока не останутся лишь избыточные дислокации одного знака. Последние выстраиваются в вертикальные стенки, т. е. возникают субграницы и соответственно субзеренная струк тур3 ДР11068). Такое структурное состояние — области с доста точно совершенным кристаллическим строением, разориентированные на малые дискретные углы — отвечает указанной выше рентгенографической картине.
186
Процесс образования субзерен (полигонизация) был обна ружен, например, при изгибе монокристалла цинка и последую щем нагреве его до высоких температур вблизи температуры плавления.
В свежеизогнутых образцах алюминия ямки травления были многочисленны и расположены беспор/дочно, а после нагрева —
вдоль |
прямых линий, отвечающих /границам |
субзерен. |
На |
||||
рис. |
69 показано |
распределение |
Дислокаций |
на |
плоскостях |
||
скольжения |
после |
изгиба (см. ри с/70, а) и после нагрева |
(см. |
||||
рис. 70, б, в, |
г) — постепенное |
образование |
дислокационных |
||||
стенок в монокристалле кремнистого железа. При |
этом умень |
шается плотность дислокаций внутри субзерен и возрастает сте пень разориентировки на границах субзерен (Данн).
На рис. 70 видна (в проходящем поляризованном свете) суб структура в монокристалле сапфира (А1г03) после изгиба при 1800° С и нагрева при 2000° (/, т. е. вблизи температуры плавле ния. Различное потемнений субзерен указывает на их разную ориентацию.
1 В результате полигонизации наклепанного металла происходит разупрочнение (возврат), так как дислокации, выстраиваю щиеся в вертикальные стенки, не создают дальнодействующих полей напряжений. Кроме того, протекают диффузионные про цессы, которые уменьшают число различных дефектов Однако разупрочнение возможно также без полигонизации; в этом слу чае оно связано с процессом аннигиляции дислокацийгразного знака в одной плоскости скольжения.
Для образования полигональной структуры дислокациям приходится переходить с одной плоскости на другую. Таким об разом, термически активируемый процесс переползания опреде ляет скорость полигонизации. Она должна зависеть от скорости элементарных процессов образования и притока вакансий к дис локациям. Легче всего эти процессы происходят на ступеньках дислокаций, поэтому чем больше ступенек, тем выше скорость полигонизации». Энергия активации процесса переползания Qn в условиях термодинамического равновесия вакансий будет скла дываться из энергии активации образования ступенек при пере сечении дислокаций Qc и вакансий QDи энергии активации ми грации вакансий QM Qn = Qc + Qn + QM. Если в деформиро ванном металле много вакансий и ступенек (деформация и на грев одновременно — испытания на ползучесть, термомеханиче ская обработка), то Qc ~ 0 и QB= 0, и Qn = QM Полигонизация
187
При нагреве реформированного металла имеется другая воз можность образования более совершенной структуры и прибли жения к равновесию — без протекания полигонизации. Эта воз можность заключается в росте зародышей новых совершенных зерен, передвигающихся в деформированные области и освобож дающих их^при этом от дефектов (т. е. собственно рекристалли зация). 1^удут ли реализованы оба процесса — полигонизация и рекоистдллизация — или один из них, зависит от многих факторовЗ_Цблигонизация чаще наблюдается после слабой деформа ции, рекристаллизация — после значительной.
Анализ лауэграмм, полученных шосле нагрева холоднодеформированного железа до 400—600° С, показывает, что процесс полигонизации идет постепенно (точки, находящиеся в пределах исходного пятна астеризма, становятся все отчетливей и умень шаются в числе). В отличие от этого при рекристаллизации ди фракционные пятна возникают сразу и увеличиваются в размере до некоторого предела, пока рекристаллизация не заканчивается.
Влияние различных факторов на полигонизацию
Кинетика образования полигонизованной структуры и ее ус тойчивость зависят от ряда факторов и «прежде всего от исходной дислокационной структуры, возникающей в результате пластиче ской деформации [152] или после термической обработки и дру гих процессов. Скольжение по разным системам во время силь ной пластической деформации приводит к неравномерному рас пределению дислокаций, что затрудняет перераспределение их при нагреве и образование малоугловых границ. Существенное влияние на формирование полигонизованной структуры оказыва ет величина энергии дефектов упаковки у. Предполагалось, что полигонизация невозможна в металлах с низким значением энер гии дефектов упаковки, например в чистой меди. Однако пока зано, что полигонизация происходит даже в меди зонной плавки и в электролитической меди (99,999%).
Электронномикроскопическое исследование тонких фольг ни хрома [153] показало, что энергия дефектов упаковки в нем мала, поэтому поперечное скольжение затруднено и при малой пласти ческой деформации (1—2%) возникают плоские скопления дис локаций, главным образом у границ зерен. После деформации 5—6% плотность дислокаций растет, возникают сложные дисло кационные сетки и сплетения, а при нагреве до 900—1100° С на ряду с образованием зародышей рекристаллизации происходят различные процессы перераспределения дислокаций, включая пецеползание с образованием субструктуры.
Конечный результат движения дислокаций при нагреве де формированного металла зависит также от условий нагрева (Горелик [147]).
190