Кооперативные релаксационные процессы и специальные границы зерен

Опыты на бикристаллах, срощенных под разными углами наклона и (или) вращения друг относительно друга, позволили выявить ряд интересных особенностей зернограничной релаксации. Во-первых, они явились доказательством того, что релаксация проходит именно по границе зерна. На рис. 6.4, а представлено два образца: оба имеют только одну границу между срощенными монокристаллами. Второй образец получен из первого путем его утонения в два раза за счет области, в которой нет границы зерна. Таким образом, удельная доля границ зерен в объеме образца увеличена вдвое. При этом, по данным Конга с соавторами, вдвое увеличивается высота зернограничного пика внутреннего трения (рис. 6.4, б). Этот опыт также свидетельствует о том, что при измельчении зерна (субмикро- и нанокрисгаллические материалы) следует ожидать увеличения степени релаксации за счет границ зерен до тех пор, пока само их строение не претерпевает существенного изменения, например накопления избыточного объема.

Во-вторых, опыты с бикристаллами показали выраженную зависимость активационных параметров зернограничной релаксации (зерно- граничного пика ВТ: Н, то, уширения пика) от взаимной разориенги- ровки зерен (табл. 6.2), в том числе выявлены значительные различия между мало- и высокоугловыми границами зерен. Характерные значения Pio и р// для зернограничных пиков приведены в табл. 6.1 в приближении о распределении времени релаксационного процесса, р, (уравнение (3.10)) для различных металлов может меняться от 2 до 7.

Бикристаллические образцы 1 и 2 алюминия (99,999А1) различной толщины (а), используемые в измерениях, и кривые ТЗВТ (б) образцов с удельной долей границ зерен, различающейся в два раза

Рис. 6.4. Бикристаллические образцы 1 и 2 алюминия (99,999А1) различной толщины (а), используемые в измерениях, и кривые ТЗВТ (б) образцов с удельной долей границ зерен, различающейся в два раза: зернограничные пики после вычитания фона внутреннего трения для образцов 1 и 2

Однако часто получаемые из эксперимента при измерении пиков зернограничной релаксации высокие значения энергии активации и слишком «быстрое» время частотного фактора то не всегда могут быть объяснены через известные значения энергии активации диффузии атомов в теле или на границе зерна. В связи с этим для интерпретации механизма диссипации энергии на границах зерен было сделано предположение, что элементарные акты релаксационных процессов на границах зерен происходят взаимосвязанно и описываются теорией взаимодействия многих элементов Нгаи [49]. Эта точка зрения находит также подтверждение в работах по исследованию бикристаллов алюминия Конга с соавторами [50].

Согласно теории корреляционных взаимодействий, податливость такого процесса описывается растянутой экспонентой (уравнение (2.3), учитывающей взаимодействие между элементарными актами релаксации через параметр корреляционного взаимодействия (п). Если элементарные акты релаксационного процесса (например, атомные прыжки на ГЗ или движение дислокаций, формирующих малоугловые ГЗ) проходят зависимо друг от друга, то значения п в уравнении (2.3) лежат в интервале 0 < n < 1. Значения параметра п > 0 в уравнении (2.3) приводят к уширению соответствующего ника огносительно дебаевского пика с п =0. В этой модели Нгаи - Конга в ушире- ние ника внутреннего трения, наблюдаемое в эксперименте, вкладывается иной, чем было описано выше, смысл: теперь это не распределение времени релаксации в дебаевском процессе с несвязанными друг с другом элементарными релаксационными актами, а мера согласованности, или скореллированности, элементарных релаксационных процессов. В этом случае наблюдаемые в эксперименте эффективные значения энергии активации и времени релаксации есть результат кооперативных релаксационных процессов, из которых можно рассчитать их истинные значения (с чертой над символом) следующим образом:

где tc имеет смысл времени, до которого элементарные акты релаксационного процесса проходят независимо, а после которого взаимодействие между частицами приводит к кооперативным релаксационным процессам. Для металлов и сплавов значения tc лежат в интервале 10' ...10~13 с.

Таблица 6.2

Экспериментальные данные - энергия активации (Н) и прсдэкспонснциальный фактор времени релаксации (то), измеренные на бикристаллах А1 с границей наклона <111> и поворота с различным углом 0 разориентации. Расчетные параметры: п - параметр скооперированности релаксационного процесса; Я и т0 - значения энергии активации и предэкспонснциального фактора времени релаксации для элементарных актов релаксации, вычисленных по формулам (6.7)

Тип границы

0,град

Н, эВ

т0, с

п

Я, эВ

±0' с

Граница наклона

7,5

1,27 ±0,05

Ю'ш,/±|

0,23

0,98

10'u'u

10,8

1,27 ±0,05

О

о

со

[Т.

0,22

0,99

Ю-нэ

12,3

1,22 ±0,05

2Q-10.8±1

0,21

0,96

Ю-П.1

14,0

1,24 ±0,05

^Q-13,U±1

0,22

0,97

Ю'вд

18,3

1,65 ±0,05

2Q-16,2±1

0,40

0,99

10'145

28,4

1,73 ±0,05

О

00

[+

0,40

1,04

Ю'156

34,9

1,82 ±0,05

О

00

о

1г_

0,46

0,98

10'1ВД

Граница поворота

9,4

3,1 ±0,1

10-лд*1

0,68

1,0

10'1W

10,9

3,2 ±0,1

10-24.2±1

0,67

1,1

10-16,0

18,9

3,1 ±0,1

10-25.1±1

0,64

1,1

10'16,7

24,0

3,0±0,1

2Q-23,3±1

0,68

1,0

Ю'иь

36,0

3,1 ±0,1

Ю 24'1-1

0,69

1,0

10"15,8

Таким образом, на примере бикристаллов А1 установлены следующие положения:

  • • Активационные параметры зернограничной релаксации для границ вращения выше, чем для границ наклона.
  • • Параметр корреляционного взаимодействия (л) сильно различается для низко- (л < 0,25) и высокоугловых границ (л > 0,35). Максимальные значения л ~ 0,7 соответствуют границам вращения <111 >, что предполагает наиболее сильное взаимодействие между атомами, перемещающимися на границах зерен. В случае низкоугловых границ коэффициент л отражает слабое дальнодейсгвующее взаимодействие между дислокациями и процесс релаксации - переползание дислокаций - может рассматриваться как процесс релаксации, состоящий из практически независимых актов. В случае высокоугловых границ он описывает скоррелированные короткодействующие атомные перемещения.
  • •Активационные параметры релаксации для высокоугловых границ наклона и вращения соответствуют кооперативному движению атомов. После процедуры вычисления активационных параметров некооперативного процесса полученные значения совпадают с энергией активации зернограничной или примесной зернограничной диффузии как для обычных, так и специальных границ зерен, свидетельствуя тем самым о единообразии релаксационных процессов, обусловленных границами зерен этих типов.
  • • Установлена линейная связь (компенсационный эффект) между энергией активации зернограничной релаксации и логарифмом пре- дэкспоненциального фактора времени релаксации: Н = а1п(то-1) +^, где а =kBTCl Tq - температура перехода границ зерен в активированное состояние. Процесс релаксации при температурах выше или ниже Тс имеет различные активационные параметры.
  • •Активационные параметры зернограничной релаксации в поликристаллах есть результат усреднения по границам зерен различных типов, что частично объясняет существующее в литературе разнообразие экспериментальных данных даже в пределах близких но составу материалов.

Подводя итог, можно сказать, что единой теории зернограничной релаксации до настоящего времени не создано. Это объясняется многообразием строения границ зерен в металлах и сплавах, их взаимодействием с другими дефектами кристаллической решетки. В совокупности это приводит к целому спектру эффектов, обусловленных границами зерен и контролируемых такими параметрами, как размер зерна, взаимная ориентация кристаллитов друг относительно друга, присутствие на границах зерен атомов примесей и легирующих элементов и др. Тем не менее во всех этих случаях справедливо базовое представление Зинера и Кё о неупругом скольжении поликристаллов но границам зерен.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >