Страумал Б.Б.
Фазовые переходы на границах зерен
Предисловие
С тех пор, как Д.К. Чернов в 1868 году обнаружил фазовые превращения в железе и объяснил их влияние на свойства сталей,
фазовые диаграммы заняли центральное место в металловедении и служат основным инструментом для создания новых материалов
и совершенствования традиционных. В последнее время в современных технологиях очень широко применяются материалы с микро- и
нанокристаллическим размером зерен, что связано с
- стремительным уменьшением размеров элементов в электронной технике;
- широким применением ионно-имплантированных слоев и специальных покрытий, имеющих нанокристаллические размеры зерен для
создания принципиально новых конструкционных материалов, сочетающих высокие механические свойства недорого материала матрицы
с уникальными свойствами поверхностных слоев: высокой коррозионной стойкостью, твердостью, контролируемым коэффициентом трения
и прекрасными декоративными качествами;
- применением нанокристаллических материалов с уникальными механическими свойствами и коррозионной стойкостью в областях,
где прежде полностью господствовали крупнокристаллические материалы.
Свойства таких материалов критически зависят от поведения и параметров внутренних границ раздела (межфазных границ и границ
зерен), уже хотя бы потому, что в нанокристаллических материалах почти каждый третий атом находится на одной из границ раздела.
В последнее десятилетие были обнаружены так называемые фазовые переходы на границах зерен и началось их подробное исследование.
В частности, впервые показано, что фазовые переходы на границах зерен (смачивания, предплавления и предсмачивания) приводят к
резкому изменению таких свойств границ зерен, как:
- диффузионная проницаемость;
- энергия и адсорбция;
- удельное электросопротивление;
- прочность;
- подвижность;
- склонность к недиффузинному проникновению второй фазы.
Таким образом, фазовые переходы на внутренних границах раздела резко изменяют свойства поликристаллов, особенно в области
размеров зерен от 1 до 1000 нм. В результате фазовых переходов на границах зерен на традиционных объемных фазовых диаграммах
появляются новые линии, описывающие свойства поликристалла с границами раздела. При описании свойств нанокристаллических
материалов такие зернограничные линии нельзя игнорировать. Так, например, в литературе по наноматериалам часто встречаются
утверждения, что из-за их сильной неравновесности для наноматериалов не годятся традиционные фазовые диаграммы. Как оказалось,
дело подчас связано с существованием именно равновесных линий зернограничных фазовых переходов, которые несущественно влияют
на крупнокристаллические материалы, но критически важны для нанокристаллических. Зная, где расположены линии зернограничных
фазовых переходов на объемных фазовых диаграммах, можно разрабатывать режимы термической обработки материалов с микро- и
нанокристаллическими размерми зерен, целенаправленно изменяя и задавая их свойства.
Кроме зернограничных фазовых переходов смачивания, предплавления и предсмачивания, происходящих в двух-, трёх- и
многокомпонентных системах, существуют и зернограничные фазовые переходы, связанные с кристаллографическими особенностями
границ зёрен и межфазных границ. Они в принципе возможны и в однокомпонентных системах. К ним относятся фазовые переходы
фасетирования и потери огранки (faceting и roughening в английской терминологии), которые связаны с появлением сверхрешёток,
общих для решёток двух соседних кристаллов, вблизи так называемых разориентаций совпадения (РСУ – решётки совпадающих узлов).
Эти явления сродни фасетированию внешней поверхности кристалла, которое используется, например, для формирования квантовых
точек и квантовых линий (проволок) с уникальными свойствами, позволяющими перейти к подлинной наноэлектронике.
В отличие от фасетирования внешней поверхности, которое определяется параметрами кристаллической решётки одного кристалла,
фазовые переходы фасетирования и потери огранки границ зёрен определяются РСУ, зависящей от взаимного расположения двух решёток,
и их возможная кристаллография намного разнообразнее. Так формируются «кристаллы внутри кристаллов», и кристаллит материала с
кубической решёткой (например, меди), расположенный внутри другого подобного кристаллита, может иметь некубическую огранку. С
повышением температуры такие «кристаллы внутри кристаллов» могут (как и некоторые обычные кристаллы) терять свою огранку, а
при снижении температуры вновь приобретать её. Более того, на некоторых границах зёрен из-за взаимодействия соседних (кубических)
решёток могут формироваться равновесные прослойки с более низкой некубической симметрией.
Полученные данные по положению линий зернограничных фазовых переходов на объемных фазовых диаграммах можно использовать
при разработке и совершенствовании следующих технологий:
- механическая обработка (прокатка, формовка, штамповка, протяжка) двухфазных сплавов с наличием жидкой фазы. Выше
максимальной температуры зернограничного фазового перехода смачивания в двухфазной области объемной фазовой диаграммы наличие
даже небольших количеств жидкой фазы приводит к полной изоляции зерен твердой фазы друг от друга, что облегчает формовку двухфазного материала;
- тиксотропное литьё при наличии жидкой и твёрдой фаз в материале;
- пайка, особенно микро- и нанокристаллических материалов, так как расплавленный металлический припой формирует различный
контактные углы в месте выхода границ зерен на паяемую поверхность, в зависимости от расположения линий фазовых переходов
смачивания границ зерен на фазовых диаграммах;
- жидкофазное спекание. В зависимости от расположения конфигуративной точки на фазовой диаграмме по отношению к линиям
зернограничных и объемных фазовых переходов процесс жидкофазного спекания может происходить в условиях полного обволакивания
частиц твердой фазы расплавом или избирательной аккреции частиц твердой фазы с образованием низкоэнегетических границ зерен;
- активированное спекание. При наличии в системе зернограничных фазовых переходов предплавления или предсмачивания в
однофазной области объемной фазовой диаграммы, где в равновесии существует только одна объемная фаза – твердый раствор,
спекание частиц твердой фазы может быть ускорено наличием на появляющихся границах зерен равновесных прослоек второй фазы,
неустойчивой в объеме, с высокой диффузионной проницаемостью;
- предотвращение зернограничной хрупкости. В ряде случаев прослойки фаз, формирующихся на границах зерен, могут приводить
к хрупкости материала. Характерными примерами являются, например, красноломкость и синеломкость сталей, образование зернограничной
сетки цементита и других хрупких карбидов. Знание расположения линий зернограничных фазовых переходов на границах зерен позволит
избежать опасного зернограничного охрупчивания материала;
- улучшение механических свойств материалов, работающих в контакте с металлическими расплавами. Жидкометаллические расплавы
в силу их высокой теплопроводности применяются в качестве теплоносителей во многих технологиях. Необходимо, чтобы эти расплавы
не приводили к жидкометаллической коррозии и ухудшению механических свойств трубопроводов, этого возможно добиться, если знать
расположение линий фазовых переходов смачивания на объемных фазовых диаграммах;
- разработка материалов, обладающих высокоскоростной сверхпластичностью. Сверхпластичность металлических сплавов – это давно
известное явление, технологическая применимость которого ограничивается, главным образом, низкой скоростью сверхпластической
деформации. В последние годы были обнаружены системы, в частности алюминий–магний–цинк, в которых скорость сверхпластической
деформации очень высока. Недавно было показано, что высокая скорость деформации может быть связана с образованием тонких
равновесных зернограничных прослоек квазижидкой фазы, которые и обеспечивают выдающиеся механические свойства материалов;
- диффузионная пайка. В этой технологии между двумя металлическими деталями расположен тонкий слой легкоплавкого
металла. В процессе пайки часть материала спаиваемых деталей растворяется в расплаве, и вместо легкоплавкого мягкого слоя
припоя образуется прочный слой тугоплавких интерметаллидов. Процесс формирования этого слоя контролируется диффузией компонентов
по остающимся открытыми зернограничным каналам расплава, а следовательно, фазовыми переходами смачивания границ зерен в интерметаллидах…
Ознакомиться с аннотацией книги или перейти к содержанию >>
Перейти к полному перечню книг
|
