2 Ефект на атомната структура върху механизмите на самодифузия по границите на наклонените зърна в алуминия
Може да се види, че областите на компресия винаги се наблюдават в съвпадащи възли или близо до съвпадащи възли и в центъра на структурна единица. В допълнение, областите на компресия са разположени близо до геометричната равнина на GB, докато областите на опън са разположени на известно разстояние от равнината GB.По този начин GB слоят съдържа канали с увеличено междуатомно разстояние, което може да служи като улеснени пътища на дифузия. Стойността на свободния обем в тези канали може да бъде по-висока от средната стойност за GB като цяло.
Свободният обем V може да се дефинира като разликата между обемите на материал, ограничен от повърхност, покриващ участък от границата, съдържащ определен брой атоми, и перфектен кристал, съдържащ същия брой атоми: V=V-V0, където V е обемът в GB областта, V0 е обемът в идеалната зърнеста област.
Вчетвърта глава са описани изследвания на самодифузия от GB.
Има три основни механизма на самодифузия на границата на зърното.
механизъм за свободни позиции. Свободните места мигрират към местата на атомите в структурната единица. Посоките на скокове отразяват атомната конфигурация на структурните единици. Този механизъм се прилага в GB с ниска стойност на излишния обем и сравнително равномерно разпределение.
Миграцията на атомите се извършва по протежение на разпределени (гранични зърна) свободни места, образуването на които се дължи на пренареждането на GB структурата по време на топлинното движение на атомите. Образуването на празно място на границата на зърното може да възникне във всяка област на структурната единица; следователно посоките на скокове над разпределените свободни места са хаотични.
Тръбен механизъм. Този механизъм се осъществява според онези GB, в които има канали сувеличен, в сравнение със средната стойност, местен свободен обем. Механизмът на тръбата може да бъде идентифициран чрез преобладаващата ориентация на атомните скокове по оста на наклон на GB.
За да се определят механизмите на самодифузия, се наблюдава индивидуалното движение на атомите. Посоката и големината на скока е представена като сегмент, свързващ началната и крайната позиция на атома.
За анализ на целия набор от атомни измествания в работата беше използван следният метод: през определен интервал от време бяха наблюдавани всички скокове на атоми в областта на дефекта. Определени са координатите на началната и крайната позиция на атомите. След това всички сегменти бяха комбинирани от точките на техните начални позиции, в резултат на което се получи триизмерна фигура, даваща визуално представяне на анизотропията на елементарни скокове на атоми в процеса на дифузия. За да се получи по-пълна картина на дифузията, следите бяха проектирани върху две равнини: върху равнината, перпендикулярна на оста на деориентация на GB, и върху граничната равнина (фиг. 8).
Диаграмата на скачане в идеален кристал е показана на фиг. 9. Вижда се, че посоките на скока са добре ориентирани. И двете проекции показват една и съща посока на скокове - по кристалографската посока на типа. Това съответства на вакансионния механизъм на дифузия.Малките отклонения от точните стойности на тези посоки са свързани с топлинното движение на атомите. Повишаването на температурата не променя посоката на атомните скокове в идеален кристал, т.е. Механизмът на дифузия в идеален кристал остава вакантен в целия температурен диапазон.
На фиг. Фигура 11 показва диаграми на скокове и траектории на движение на атоми в процеса на ниско- и високотемпературна самодифузия по границата на зърната 6°.
В района на ниски температури, повечетовъзникват скокове в равнината на границата по ядрата на дислокациите - тръбна дифузия. От фиг. 11 (Проекция 2) показва, че броят на скоковете, насочени по линиите на дислокация, значително надвишава броя на скоковете в други посоки.Тези данни показват, че тръбната дифузия е доминиращият механизъм на дифузия в областта на ниските температури.
В зоната с висока температура естеството на дифузията не се променя значително: тръбният механизъм остава доминиращ
Самодифузията по дължината на 15° GB се случва подобно на 6° GB. Въпреки че дислокациите са разположени на много по-къси разстояния, техните ядра не се припокриват и между тях има области на идеален кристал, в които самодифузията практически липсва.
За GB от 30° (фиг. 12), всички посоки на скокове са практически еднакви. Движението на атомите по време на самодифузия по протежение на високоъглова граница на зърното се случва като в аморфен материал. Този резултат се съгласува добре с наличните GB модели. GB с висок ъгъл вече не може да бъде представен като дислокационна система. Дислокационните ядра се припокриват и образуват слой с доста еднакви характеристики, в структурата на който няма ред на далечни разстояния.
Специалният GB 13(015) има най-голям период на връщане сред изследваните специални граници. Структурната единица има редуващи се области на натиск и напрежение, които могат да се считат за резултат от наличието на дислокации на границите на зърната. Може да се види от проекциите на пистите в областта на ниските температури (фиг. 13), че движението е ориентирано по протежение на граничните дислокации на зърната и е тръбна дифузия. При високи температури няма разграничени посоки в движението на атомите, скоковете са хаотични, подобно на движението на атомите по общ тип GB. Широчината на дифузия се увеличава значително, което също носиестеството на движението на атомите за дадена специална граница, с движението на атомите по границите от общ тип. По този начин за този GB във високотемпературния диапазон се реализира механизмът на самодифузия върху разпределени свободни места.
Диаграми и проекции на скокове за GB от специален тип 5(013) са показани на фиг. 14.
Специалните GB имат по-подредена структура в сравнение с общите GB. За 5(013) движението има кристалографски характер в граничната област. При ниски температури възникват скокове в същите посоки, както в идеален кристал, т.е. самодифузията се извършва според механизма на ваканцията. При високи температури обаче всички посоки на скокове са еднакви, което показва аморфизация на структурата. По естеството на скоковете този специален GB при високи температури става подобен на GB от общ тип.
По този начин можем да заключим, че при ниски температури тази граница се характеризира с механизъм на свободни места, докато при високи температури се наслагва от механизма на свободни места в границите на зърната.
В сравнение с други граници с оста на дезориентация [100], 5 (012) има най-правилна структура. Следователно може да се очаква, че дифузията протича според механизма на ваканцията. Диаграми и проекции на скокове за GB от специален тип 5(012) са показани на фиг. 15.
При ниски температури се появяват скокове в същите посоки, както в идеален кристал. Наблюдава се изразена преобладаваща посока на хмела по граничната равнина. Проекция 2 върху граничната равнина също показва висока кристалност на атомните скокове. Посоките на скокове са близки до кристалографските посоки от типа [110], което ни позволява да приемем същия механизъм на самодифузия, както видеален кристал, тоест механизъм за свободни места. Нагряването увеличава хаотичния компонент на скоковете, но преобладаващото движение по посоките [110] се запазва
Въз основа на изследванията на диаграмите на скокове, както и на траекториите на движение на атомите, беше съставена окончателна таблица на предпочитаните механизми на самодифузия за GBs от общ и специален тип, представена в таблица 3. Използвани са следните обозначения: V - дифузия на празни места, T - дифузия на тръби, ZGV - дифузия по протежение на свободните места на границата на зърното.
Траекториите на движението на атомите по GB не дават достатъчно пълна представа за механизмите на самодифузия. Необходимо е допълнително да се сравни с такива характеристики на самодифузия като енергията на активиране на движението на атомите по GB и коефициента на дифузия. Параметрите на самодифузия са намерени от наблюдения на изместването на атомите по време на нагряване на кристал, съдържащ граница.
Температурната зависимост на коефициента на дифузия DGB се изразява със следното уравнение:
, (2)
където Т е абсолютната температура, Q е енергията на активиране, D0 е константа, предекспоненциален фактор.
На фиг. Фигура 16 показва температурните зависимости lnDGB, изчислени за границата на зърното и обемната самодифузия в алуминий. Вижда се, че графиките имат прекъсване при определена температура, приблизително съответстваща на 750 К. Различният наклон на графиките може да се тълкува като промяна в механизма на самодифузия на зърнограничните граници при нагряване. Графиките бяха използвани за определяне на параметрите на зависимостите на Арениус на самодифузията на границата на зърното за нискотемпературните и високотемпературните области. Стойностите на параметрите на самодифузия - предекспоненциалният фактор D0 и енергията на активиране Q - са дадени в таблица 4, която също показва коефициентите на самодифузия DGB,определени за две температури 700K и 900K, съответстващи на нискотемпературния и високотемпературния диапазон на самодифузия.
Вижда се, че изчислените стойности на характеристиките на самодифузия за идеален Al кристал са в добро съответствие с експеримента. Изчислената енергия на активиране на самодифузия Q = 119,5 kJ/mol е близка до експерименталните стойности на активиране на дифузия в Al. Изчислените и експериментални стойности на коефициентите на дифузия също се съгласуват добре. Доброто съответствие между изчислените параметри на самодифузия и експерименталните стойности за идеален кристал ни позволява да се надяваме на правилни резултати при изследване на процесите на самодифузия по границите на зърната.
В нискотемпературния диапазон енергията на активиране на зърнограничната самодифузия за всички GBs, с изключение на 5, има ниски стойности от 14,4–23,0 kJ/mol, което е типично за тръбна дифузия. Правилната структура на границите на зърната и високата енергия на активиране от 65,4 kJ/mol предполагат механизъм за самодифузия на празни места. Във високотемпературния диапазон енергиите на активиране за всички граници на зърното се сближават и са в диапазона от 28, 3–41, 5 kJ / mol, което ни позволява да приемем самодифузия през свободни места в границите на зърното.