Торможение границ зерен дисперсными частицами

Зинеровское торможение. Если плоскость границы пересекает частицу, возникает сила торможения, обусловленная уменьшением зернограничной энергии, поскольку частица «вырезает» из границы область площадью ЛГ|² (рис. 4.5). Если граница находится в положении х₂ ⁼ 0, т. е. г = г, уменьшение энергии максимально, и сила взаимодействия равна нулю. При смещении границы на х₂ Ф О уменьшение энергии.

где у — удельная зернограничная энергия; 0 — угол, между гиг, и появляется тормозящая сила.

которая максимальна при х₂ = г.

Рис. 4.5. Схема Зинера, иллюстрирующая взаимодействие границы зерна с частицей: г — радиус частицы, г — радиус «отверстия» в границе Мигрирующая граница может и не пересекать частицу в буквальном смысле этого слова, т. е. проходить сквозь нее. На рис. 4.6 представлена схема «обхода» частицы границей. В результате такого огибания частицы ее когерентная граница становится некогерентной. Вероятность такого процесса все же невелика: в процессе деформации частицы могут разрушаться, а в процессе отжига возможен срыв когерентности при ее росте.

Движение частицы вместе с границей. «Захват» частиц границей наблюдается при большой энергии их взаимодействия и малой скорости миграции границ. Перемещение частиц требует диффузии ее атомов по межфазной границе или сквозь включение (рис. 4.7). Процесс этот маловероятный, но в сплавах переходных металлов наблюдалось движение частиц карбидов вместе с границами.

Рис. 4.6. Обход частицы мигрирующей границей (схема).

Рис. 4.7. Схема движения частицы вместе с мигрирующей границей Стрелками показана диффузия атомов в частице.

Растворение частиц в границе. Растворение частиц в мигрирующей границе приводит к пересыщению приграничной зоны рекристаллизованного зерна и выделению примесных атомов в виде мелких частиц (рис. 4.8). Граница мигрирует вместе с оставшимися «равновесными» сегрегациями.

Рис. 4.8. Схема поглощения частиц границей (а) и выделение более мелких частиц из пересыщенной зоны за границей (б).

4.6. Образование двойников отжига Пластическая деформация кристаллических тел в условиях низких температур и (или) повышенных скоростей деформации осуществляться двойникованием, в результате чего в структуре металлов и сплавов образуются двойники деформации^[1]. Границами таких двойников в большей части когерентные или состоят из когерентных участков, ограниченных двойникующими дислокациями.

При отжиге двойники деформации обычно сохраняются в структуре металлов и сплавов: когерентный характер границ двойника (Z3) обусловливает их собственную низкую энергию (по сравнению с некогерентными границами) и высокую устойчивость при нагреве. Поэтому двойники в структуре металлов, например с гексагональной решеткой, исчезают лишь при высоких температурах нагрева. Однако в ходе нагрева может наблюдаться некоторое укрупнение двойников деформации или же образование новых двойников, которые получили название двойников отжига (рекристаллизации) (рис. 4.9). Согласно Фуллману и Фишеру, образование таких двойников при отжиге деформированных металлов и сплавов обусловлено стремлением системы уменьшить общуго зернограничную энергию. Существует несколько моделей, описывающих механизмы образования и роста двойников отжига.

Рис. 4.9. Пластинки двойников отжига.

• 1. Модель П. Фелтмана. Образование двойника происходит вследствие расщепления большеугловой границы на две, из которых одна является когерентной и лежит в одной из плоскостей {111}. Такое расщепление приводит к уменьшению зернограничной энергии системы.
• 2. В. Г. Бюргере связывает образование двойников отжига с усилением текстуры при первичной рекристаллизации. В этой модели не рассматривается превращение межзеренной границы в границу двойника и не объясняется возможность образования в пределах одного зерна нескольких двойников и тем более различно ориентированных.
• 3. Модель X. Ху, К. С. Смита была предложена для объяснения причин обрыва двойников внутри зерна. Согласно этой модели, так называемые внутризеренные двойники образуются путем «отрыва» растущего двойника от мигрирующей болынеугловой границы, которая «тащила» двойник за собой (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Схема, иллюстрирующая образование некогерентной границы двойника (Д) вследствие его отрыва от мигрирующей большеугловой границы (БУГ).

Вероятность отрыва определяется соотношением поверхностных энергий когерентной Е_к = пг²у_к (для случая, когда двойник пересекает все зерно радиусом г, у — поверхностная свободная энергия на единицу объема) и некогерентной Е_н = 2лгу" границ. При отжиге вследствие миграции большеугловой границы размер зерна увеличивается, следовательно, растет отношение Е_к/Е_н (в случае, когда длина двойника равна диаметру зерна, энергия границы двойника растет быстрее, чем энергия границы зерна, поэтому в определенный момент времени становится выгодным отрыв двойника от границы, при этом на торце двойника образуется новый отрезок большеугловой, некогерентной границы). Вероятность отрыва тем больше, чем выше отношение Е_к/Е_н.

4. В работах Дж. X. Смита и М. В. Бевера рассматривается образование двойников отжига при собирательной рекристаллизации на стыке четырех зерен с нерегулярными большеугловыми фаницами (рис. 4.11).

Рис. 4.I I. Стадии (1…4) развития двойника при собирательной рекристаллизации (Р. У. Кап).

Если зерна С и D разориентированы таким образом, что двойник Т_с имеет ориентацию, близкую к ориентации зерна Д граница между Т_сиЕ> будет иметь меньшую энергию, чем граница между С и D. Конфигурация (4) — иметь меньшую суммарную зернограничную энергию, чем конфигурация (З).Вышрыш в энергии обусловлен «превращением» участка 1раницы С-D в двойниковую фаницу T_q-D. Естественно, это возможно, если удельная энергия последней очень мала: меньше 5% от энергии нерегулярной границы. Рост двойника происходит при продвижении тройной точки A-C-D.

5. Модель, предложенная С. С. Гореликом, объясняет возникновение внугризеренных двойников отжига вследствие преобразования отдельных участков большеугловой фаницы в ступеньку, состоящую из когерентного и некогерентного участков, и миграцией последнего (рис. 4.12). Последующий рост соседней ступеньки приведет к увеличению ширины двойника, т. е. к такому эффекту, как если бы мигрировала когерентная граница. Реализация этого механизма возможна на стадии вторичной рекристаллизации, когда «нормальная» миграция большеугловых границ сдерживается дисперсными частицами.

Рис. 4.12. Схема превращения участка исходной большеугловой границы (БУГ) в ступеньку, включающую когерентную (Г._кд) и некогерентную (?".д) границы двойника («), и последующая миграция некогерентной границы двойника (б) (С. С. Горелик) Согласно этой модели, ступеньки образуются на участках границы, где происходит локальное растворение дисперсных фаз. При этом, как показали экспериментальные данные, повышение температуры отжига сплава на никелевой основе с ГЦК-рсшсткой способствовало растворению дисперсных частиц и приводило к высокой плотности двойников отжига в структуре сплава.

Поскольку образование ступеньки увеличивает общую протяженность границы, появление ее будет энергетически выгодным только в том случае, если.

где L_H, L_{H д}, L_{K д} — протяженность участка исходной большеугловой границы, некогерентной и когерентной границы двойника; у," у_{п д}, Ук. д — удельные поверхностные свободные энергии указанных границ, которые соотносятся между собой следующим образом:

Ун ~ Ун. Дч Ук.д ^< Ун. д Вероятность перестройки большеугловой 1раницы возрастает с уменьшением энергии когерентной границы двойника, а значит, с уменьшением энергии дефекта упаковки металла или сплава. Двойники отжига, редко встречающиеся в высокочистом алюминии с высокой энергией дефекта упаковки, в изобилии наблюдаются в структуре рскристаллизованных металлов и сплавов с ГЦКрсшсткой, для которых характерна низкая энергия дефекта упаковки (медь, никель, серебро, золото и их сплавы). Экспериментально установлена также хорошая корреляция между плотностью дефектов упаковки в деформированной матрице и количеством двойников отжига в структуре сплавов после рекристаллизации.

Процессу образования двойников отжига способствует наличие в металле или сплаве регулярных границ, так как наряду с низкой энергией они обладают высокой подвижностью. Не наблюдается образования двойников в тех случаях, когда граница является малоили среднеугловой, так как они являются малоподвижными, и рост двойника прекращается сразу же после его образования.

Как уже отмечалось выше, двойники отжига являются характерной особенностью структуры рекристаллизованных металлов или сплавов на основе ГЦК-решетки. Однако двойники отжига были также обнаружены в металлах и сплавах с ОЦК-решеткой. В этом случае кристаллография оказывается более сложной (двойники могут иметь три различных когерентных поверхности раздела). И, вероятно, поэтому они не привлекали внимания исследователей.

Представление о превращении нерегулярной границы в границу двойника является наиболее важным в моделях (кстати, полувековой давности) образования двойников отжига при рекристаллизации. Термин «регулярные» («специальные») границы в то время еще не был общеупотребительным.

В алюминии наименьшая^[2] из энергий нерегулярных границ равняется приблизительно 0,82 от наибольшей, а наименьшая энергия из всех регулярных границ — граница двойника {111}, т. е. Z3 — всего лишь 0,12. Естественно, образование двойника отжига возможно при определенном наборе ориентировок контактирующих зерен, однако такой механизм зарождения двойников представляется весьма вероятным.

• [1] Двойник — объемный дефект кристаллической решетки металла или сплавав виде пластины конечной толщины, кристаллическая решетка которогоявляется зеркальным отражением решетки остальной части кристалла.
• [2] Штремель М. А., Маркович А. Л. Энергия несоизмеримых границ зерен вполикристалле // ФММ. — 1992. — № 6. — С. 15−31.