Исследование движения зернограничных тройных стыков в алюминии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Основные представления о миграции границ зерен, тройных стыков и росте зерен в поликристаллах.

1.1. Движение одиночных границ зерен.

1.1.1. Современная геометрическая теория структуры внутренних границ раздела.

1.1.2. Метод исследования миграции одиночных границ зерен.

1.1.3. Влияние ориентации зерен на движение межзеренных границ. Компенсационный эффект при движении границ зерен.

1.1.4. Примесное торможение границ зерен.

1.1.5. Влияние давления на миграцию границ зерен.

1.2. Движение одиночных тройных стыков.

1.2.1. Теоретические представления о структуре и свойствах тройных стыков. а) Структурные особенности тройных стыков. б) Кинетика и термодинамика тройных стыков.

1.2.2. Экспериментальные исследования строения и свойств тройных стыков и результаты компьютерного моделирования.

1.3. Рост зерен в двумерных системах.

1.3.1. Уравнение движения в модели одинаковых границ.

1.3.2. Соотношение фон Нойманна - Маллинза.

1.3.3. Нормальный рост зерен.

1.3.4. Учет тормозящего влияния тройных стыков в уравнении фон Нойманна - Маллинза.

1.4. Постановка задачи.

Глава 2. Методика и проведение экспериментов.

2.1. Введение.'.

2.2. Приготовление образцов.

2.2.1. Получение трикристаллов с тройным стыком. а) Получение монокристаллических затравок и выращивание плоских монокристаллов. б) Получение бикристаллических затравок и выращивание плоских бикристаллов с границей наклона, идущей вдоль направления роста. в) Приготовление затравок и выращивание плоских трикристаллов. Получение тройных стыков. г) Определение ориентации и разориентации кристаллов

2.2.2. Приготовление образцов с бамбуковой структурой.

2.2.3. Получение образцов с паркетной структурой. а) Получение 2-D алюминиевых фольг. б) Получение 2-D алюминиевых пластин.

2.3. Изучение влияние температуры на движение индивидуальных тройных стыков и рост зерен в поликристаллах.

2.3.1. Изучение движения индивидуальных тройных стыков а) Метод последовательных измерений скорости без визуального слежения за смещением тройного стыка б) Непрерывный метод слежения за движением тройного стыка. в) Фиксация формы тройного стыка и определение величины аз/а.

2.3.2. Влияние температуры на рост зерен в поликристаллах

2.4. Изучение влияние давления.

2.4.1. Тройной стык.

2.4.2. Фольги.

2.5. Погрешности измерений.

2.5.1. Чувствительность и точность метода непрерывного наблюдения за смещением тройного стыка.

2.5.2. Измерение температуры.

Глава 3. Исследование движения индивидуальных тройных стыков в алюминии.

3.1. Влияние температуры на подвижность индивидуальных тройных стыков в алюминии. а) Исследование температурных зависимостей подвижности тройных стыков < 111 >. б) Исследование температурных зависимостей подвижности тройных стыков < 100>. в) Исследование температурных зависимостей подвижности тройных стыков <110>. г) Компенсационный эффект. д) Анализ полученных результатов с точки зрения механизма движения тройных стыков.

3.2. Влияние давления на подвижность индивидуальных тройных стыков в алюминии. а) Экспериментальные результаты исследования температурных и барических зависимостей миграции одиночного тройного стыка < 10 0> в алюминии.

Глава 4. Влияние температуры и давления на рост зерен в поликристаллах алюминия.

4.1. Влияние температуры нарост зерен в поликристаллах алюминия. а) Рост зерен в одномерных и двумерных поликристаллах алюминии. б) Влияние начальной кристаллографической структуры образца на рост зерен в двумерных поликристаллах. в) Влияние размерного эффекта на рост зерен в поликристаллах.

4.2. Влияние высокого гидростатического давления на рост зерен в поликристаллах алюминия. а) Влияние давления на рост зерен в двумерных алюминиевых фольгах. б) Влияние давления на долю малоугловых границ при росте зерен в двумерных алюминиевых фольгах.

Выводы.

Большинство металлических материалов, применяемых в технике, имеют поликристаллическую структуру. Их свойства - механические, оптические, магнитные - во многом определяются особенностями зеренной структуры, формирующейся в ходе термомеханической обработки. Рост зерен является последним в ряду процессов формирования структуры. Несмотря на огромную практическую важность и большой объем данных, теоретически этот процесс изучен слабо ввиду сложности коллективного движения взаимодействующих между собой границ зерен и тройных стыков. Лучше всего изучены закономерности изменения со временем среднего размера зерна [1-3]. Эта характеристика определяет такие практически важные свойства материалов как прочность, хрупкость, пластичность, коррозионная стойкость [4-8]. Широко изучаются функция распределения зерен по размерам [9], формирование текстур рекристаллизации [10-12], влияние на ход процесса предварительной обработки и других факторов.

При определенных условиях сильно различающиеся между собой материалы демонстрируют универсальное поведение - так называемый нормальный рост зерен. Речь идет о едином степенном законе роста среднего размера зерна, сходных между собой и независящих от времени распределениях зерен по относительным размерам и о других характеристиках поликристалла. Данный процесс имеет место как в двумерных1, так и в трехмерных поликристаллах. Однако в последнее время важное место в изучении нормального роста зерен заняли именно двумерные поликристаллические объекты. Это связано с более простым строением двумерных поликристаллов по сравнению с трехмерными:

1 «Двумерными» принято называть поликристаллы, толщина которых много меньше среднего размера зерна в образце. Зерна в подобных структурах прорастают насквозь. 6 возможностью непосредственного наблюдения за эволюцией зеренного ансамбля, а так же с широким применением данных объектов в технике: трансформаторные пластины, тонкие слои в приборах микроэлектроники, тонкопленочные покрытия. Поэтому исследование закономерностей двумерного роста зерен нельзя рассматривать как чисто теоретическую и геометрическую абстракцию.

Процесс роста зерен происходит путем движения границ зерен и тройных стыков. Границы зерен и тройные стыки являются важнейшими элементами структуры поликристалла. В то время как границы зерен давно и серьезно изучаются [13-18], тройные стыки лишь в самое последнее время стали осознаваться как особые линейные дефекты кристалла с присущей им структурой, термодинамическими и кинетическими свойствами, определяющие во многих случаях процессы в поликристаллических материалах. Первые результаты исследования движения индивидуальных тройных стыков [19, 20] показали как сильно они могут влиять на процессы роста зерен в поликристаллах.

Выводы

1. Разработана методика выращивания трикристаллов алюминия, содержащих индивидуальные тройные стыки с заданными кристаллографическими параметрами.

2. Разработана методика исследования подвижности тройного стыка при стационарном движении зернограничной системы с индивидуальным тройным стыком. Изучены температурные зависимости подвижности систем границ зерен с тройными стыками наклона для трех кристаллографических систем.

3. Экспериментальные результаты по изучению подвижности системы границ зерен с тройным стыком в А1 показали, что при низких температурах тройной стык оказывает тормозящее влияние на движение системы. Система движется в режиме стыковой кинетики. При высоких температурах лимитирующим звеном при движении системы границ зерен с тройным стыком становятся границы зерен. Система движется в режиме граничной кинетики. Движение системы становится подобным движению одиночных границ наклона в бикристаллах А1.

4. Показано, что энергия активации миграции тройных стыков при низких температурах существенно превышает энергию активации миграции одиночных границ зерен в бикристаллах алюминия.

5. Показано, что существует температура, при которой происходит переход от стыковой кинетики к граничной.

6. Обнаружен компенсационный эффект (линейная зависимость между энергией активации системы Н и величиной предэкспоненциального множителя log^o) в уравнении миграции зернограничной системы с тройным стыком. Температура компенсации при движении тройных стыков совпадает с температурой перехода от стыковой кинетики к граничной для данной кристаллографической системы.

1. Рекристаллизация металлических материалов. Под ред. Ф. Хесснера. М.: Металлургия, 1980.

2. Горелик. С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1978.

3. Пуарье Ж.-П. Высокотемпературная пластичность кристаллических тел. М.: Металлургия, 1982.

4. Feltham P. Acta Met. 5 (1957) p. 97.

5. Kurtz S.K., Carpay F.M.M. J. Appl. Phys. (1980) p. 51.

6. Haroun N.A. J. Met. Sci., 16 (1981) p. 2257.

7. Papadakis E.P. J. Appl. Phys., 19, 35, p. 1585.

8. Andrade E.N., Aboav D.A. Proc. Roy. Soc., 19, 291 A, p. 18.

9. Abruzzese G., Luke K. Acta Met., 34 (1986) p. 905.

10. V.E.Fradkov, D.G.Udler and R.E.Kris, Phil Mag., 58 (1998) pp. 277-283.11 .C.V.Thompson, Materials Science Forum Vols. 94-96 (1992), pp. 245 256.

11. Галина A.B., Фрадков B.E., Швиндлерман JI.C., ФММ, 63 (1987) № 6, с. 1220- 1222.

12. Аристов В.Ю., Копецкий Ч.В., Швиндлерман Л.С., Основы материаловедения, М.: Наука, 1981, с. 84.

13. Е.М. Fridman, Ch.V. Kopetskii and L.S. Shvindlerman, Soy. Phys. Solid State 16 (1974), p. 1152.

14. Fridman E.M., Kopezky Ch.W., Shvindlerman L.S. Effect of orientation and concentration factors on the migration of individual grain boundary in aluminium Z. Metallkunde, bd. 66 (1975) h. 9, s. 533 540.

15. Аристов В.Ю., Мирочник В.Л., Швиндлерман Л.С., Подвижность межзеренной границы наклона <111> в алюминии, ФТТ, т. 18 (1976) в. 1, с. 137- 142.

16. Антонов А.В., Копецкий Ч.В., Швиндлерман Л.С. и др., Миграция границ наклона в цинке, ДАН СССР, т. 213 (1973) № 2, с. 318 320.

17. Сурсаева В.Г., Андреева А.В., Копецкий Ч.В. и др., Подвижность границы наклона <1010> в цинке, ФММ, т. 41 (1976) № 5, с. 1013 -1016.

18. V.G. Sursaeva and S.G. Protasova, Grain structure evolution in 1-D rods and 2-D strips of poly crystalline aluminium, Material Science Forum, v. 295 -296(1999) pp. 513-516.

19. Czubayko U., Sursaeva V.G., Gottstein G.G., Shvindlerman L.S., Acta Mater., 46 (1998) p. 5863.

20. Kronberg M.L., Wilson F.H. Some Aspects of grain boundary structure Trans, of AIME, v. 185 (1949) No. 3, pp. 501 508.220рлов А.Н., Переверзенцев В.Н., Рыбин В.В. Границы зерен в металлах. М.: Металлургия, 1980.

21. Hasson G et al, Structure of grain boundaries. Theoretical determination and experimental observations In: Nature and behaviour of grain boundaries, New-York London, 1972, pp. 3 - 39.

22. Rutter J.W., Aust K.T., Migration of <100> tilt boundaries in high purity lead, Acta Met., v. 13 (1965) No. 3, pp. 181 186.

23. Копецкий Ч.В., Сурсаева В.Г., Швиндлерман JI.C., Подвижность болыиеугловых границ наклона в цинке, Препринт ИФТТ АН СССР, Черноголовка, 1979, 48 с.

24. Алешин А.Н., Бокштейн Б.С., Петелин А.Л. и др., Диффузия цинка по одиночным границам кручения в алюминии, Металлофизика, т. 2 (1980) № 4, с. 83 88.

25. Straumal В.В. et al., Indium diffusion along interface twist boundaries Sn -Ge, Scripta Met., v. 15, No. 11, pp. 1197- 1200.

26. Ballman W., Crystal defects and crystalline interfaces, Berlin, Sprimger Verlag, 1970, 368 p.31 .C.G. Dunn, P.W. Daniels, N.y. Bolton, On the problem of grain boundary movement, Trans. AIME, v. 185 (1949) pp. 708 709.

27. Копецкий Ч.В. Мусихин JI.A., Швиндлерман Л.С., Миграция границ наклона в молекулярных поликристаллах, ФТТ, т. 13 (1971) с. 752 756.

28. Gastaldi J., Jourdan С. New possibilities for Recrystallization study by X -ray synchrotron radiation topography, Phys. Stat. Sol. A, v. 49 (1978) pp. 529-537.

29. Gastaldi J., Jourdan C., Grange CG. by X- Synchrotron white beam X-ray topography in situ study of the different types of grain growth, Material Science Forum, v. 94 96 (1992) pp. 17 - 26.

30. Аристов В.Ю. Копецкий Ч.В., Швиндлерман Л.С., Метод непрерывного рентгеновского слежения за движением границ зерен, Авторское свидетельство СССР 642638 G01N23/20, 1979.

31. Molodov D.A., Straumal В.В., Shvindlerman L.S., The effect of pressure on the migration of <001> tilt grain boundaries in tin bicrystals, Scripta Met., v. 18 (1984) No. 3, pp. 207-211.

32. Максимова Е.Л., Страумал Б.Б., Фрадков B.E., Швиндлерман Л.С., Компенсационный эффект при диффузии по одиночным межфазным границам в Sn Ge, ФММ, т. 56 (1983) с. 979 - 984.

33. Zener G., Imperfections in nearly perfect crystals, New York: Willey, 1952. p. 431.

34. Mott N.F., Slip at grain boundaries and grain growth in metals, Proc. Phys. Soc., v. 60, (1948) pt. 4, No. 1, pp. 1 17.

35. Luke K., Detert K., Acta Met., 5 (1957) p. 628.

36. Chan J.W., The impurity drag effect on grain boundary motion, Acta Met., 10(1962) pp. 789-798.

37. Aust K.T., Rutter J.W., Grain boundary migration in high purity lead and dilute lead tin alloys, Trans. AIME, 215 (1959) pp. 119 - 127.

38. K.T. Ост, Дж.В. Раттер, Миграция границ зерен в кн. Возврат и рекристаллизация металлов М.: Металлургия, 1966, с. 123-157.

39. Г. Глейтер, Б. Чалмерс, Большеугловые границы зерен, М.: Мир, 1975

40. J.E. Burke and D. Turnbull, in: Progress in Metal Physics (edited by B. Chalmers), v. 3, Pergamon Press, New York (1952).

41. H. Han, H. Gleiter, Scripta Met., v. 13, No. 1, (1979), pp. 3-6.

42. W. Loikowski, Y. Minamino, S. Hozumi and J. Wyrzykowski., Proc. Joint XV AIRAPT& XXXIII EHPRG Intern. Conf. on High Pressure Science and Technology, Warsaw, Poland, Sept. 11-15, (1995).

43. Molodov D.A., Straumal B.B., Shvindlerman L.S., Sov. Phys. Sol. State, v. 24 (1986) No. 4, pp. 629 633.

44. W. Bollmann, Phil. Mag. A, 49 (1984) p. 73.

45. W. Bollmann, Phil. Mag. A, 57 (1988) p. 637.

46. W. Bollmann, Mat. Sci. Eng. A, 113 (1989) p. 129.

47. V. Randle, The measurement of grain boundary geometry, Bristol and Philadelphia, 1993.

48. G. Palumbo, S.J. Thorpe and K.T. Aust, Scripta Met. Mat., 24 (1990) p. 1347.

49. G. Palumbo, P.J. King, P.C. Lichtenberger, K.T. Aust and U. Erb, Scripta Met. Mat., 25 (1991) p. 1775.

50. J. Don and S. Majumdar, Acta Met., 34 (1986) p. 961.

51. E.G. Doni and G.L. Bleris, Phys Stat. Sol. A, 110 (1983) p. 383.

52. V. Randle, Mat. Sci. Tech, 6 (1990) p. 1231.

53. V. Randle, Met. Trans. A, 21 (1990) p. 2215.

54. Palumbo G. and Aust K.T, Scripta Met. Mater, 24, (1990) p. 1771.

55. Brandon D.G, Acta Met, 14 (, 1966) p. 1479.

56. Randle V. and Ralph B„ J. Mater. Sci, 23 (1988) p. 934.

57. Palumbo G. and Aust K.T, Scripta Met, 22 (1988) p. 847.

58. W. Bollmann and H. Guo, Scripta Me.t, 24 (1990) p. 709.

59. Palumbo G. and Aust K.T, Advanced Structural Materials (ed. D. Wilkinson) Pergamon, Oxford (1989) p. 227.65 .Palumbo G. and Aust K.T, Mat. Sci. Eng. A, 13 (1989) p. 139.

60. L.M. Clarebrough and G.L. Forwood, Phil. Mag. A, 55 (1987) p. 217.

61. P.Fortier, W.A.Miller, K.T.Aust, Triple Junction and Grain Boundary Character Distribution in Metallic Materials, Acta Mater, v. 45, (1997) No. 8, pp. 3459 3467.

62. В.Н. Перевезенцев, А.В. Шалимова, М.Ю. Щербань, Роль стыков зерен в деформировании и отжиге поликристаллов, Металлофизика, т. 10 (1988) №4, с. 26-36.

63. Копецкий Ч.В., Фионова JI.K., Поверхность: физика, химия, механика, 12(1982) с. 111-120.

64. Перевезенцев В.Н., Щербань М.Ю., Деформационно стимулированное расщепление обычных границ зерен, Письма в ЖЭТФ, 13 (1987) №2, с. 75-78.

65. Рабухин В.Б., Влияние поверхностей раздела на пластическую деформацию и внутренне трение металлических нитей, Поверхность: физика, химия, механика, №10 (1983) с. 5 21.

66. Рабухин В.Б., Роль стыков границ в зернограничной неупругости, ФММ, 55 (1983) в. 1, с. 178 183.73А. Peteline, S. Peteline and Oreshina. Triple Junction Diffusion: Experiments and Models. Defect and Diffusion Forum Vols. 194-199(2001), pp. 1265 -1270.

67. M. Upmanyu, D.S.Srolovitz, L.S. Shvindlerman, G.G. Gottstaein, Triple junction mobility: a molecular dynamic study, Interface Sci., 7 (1999) pp. 307-319.

68. Mullins W.W., J. Appl. Phys., 27 (1956) p. 900.

69. V.E. Fradkov, D.G. Udler, Normal grain growth in 2-D polycrystals, preprint, Chernogolovka, 1979.

70. Кравченко A.C., Фрадков B.E., Швиндлерман JI.C., Экспериментальное исследование нормального роста зерен в терминах площадь -топологический класс, Препринт ИФТТ АН СССР, Черноголовка, 1985, 11 с.

71. Gottstein G.G., Svindlerman L.S., Scripta Mater., 38 (1998) p. 1541.

72. Сурсаева В.Г., Глебовский В.Г., Семенов В.Н., Копецкий Ч.В., Авторское свидетельство № 1089179 от 3 января 1984 г.

73. Д.А. Молодов, Взаимодействие движущихся индивидуальных границ с растворенной примесью, Препринт ИФТТ АН СССР, Черноголовка, 1984.

74. Прокофьев С.И., Страумал Б.Б., Зорин И. Н. Экспериментальное ориентирование и прецизионный раскрой кристаллов с помощью метода оптического ориентирования. Заводская лаборотория, т. 50, (1984) №5, с. 45-46.

75. М. Беккерт, X. Клемм, Справочник по металлографическому травлению, М.: Металлургия, 1979.

76. Орлов А. Д., Исследование движения системы границ зерен в трикристаллах алюминия, Дипломная работа, Москва, МиСИС, 2000.

77. Сурсаева В.Г., Таций Т.В., Швиндлерман JI.C., Изв. РАН, т. 60, № 2, с. 181 191.

78. Аристов В.Ю., Копецкий Ч.В., Молодов Д.А., Швиндлерман Л.С., ФТТ, 22 (1980) с. 1900- 1903.

79. Аристов В.Ю., Фрадков В.Е., Швиндлерман Л.С., ФММ, 45 (1979) с. 83-94.

80. Sanchez Jr. J.E. and Arzt R., Scripta Met., 26 (1992) p. 1325.

81. Hasson G. and Goux C., Scripta Met., 5 (1971) p. 889.

82. Stoyan D., Kendall W.S. and Mecke J., in Stochastic Geometry and its

83. Applications Berlin: Akademie Verlag (1987) p. 276. 92.Sursaeva V.G. and Shvindlerman L.S., Proc. 16th Riso Int. Symp. On Materials Sciense, Roskilde, Denmark, pp. 559 564.

84. G.Gottstein, D.A.Molodov, U. Czubayko and L.S.Shvindlerman, J.Phys.IV, Colloque C3, 5 (1995) p. 89.

85. D.Mattissen, D.A. Molodov, G. Gottstein, L.S. Shvindlerman In: Recrystallization and Grain Growth, G. Gottstein and D. Molodov (eds.), Springer Verlag (2001) pp. 421 426.

86. Gottstein, G. and Shvindlerman, L.S. Grain Boundary Migration in Metals: Thermodynamics Kinetics, Applications, CRC Press, 1999.

87. Атомная структура межзеренных границ. Под ред. А.Н. Орлова. М:Мир 1978.

88. Аристов В Ю., .Движение большеугловых границ наклона в алюминии. Диссертация Черноголовка 1978.

89. В. Schonfelder, P. Keblinski , D. Wolf and S.R. Phillpot Materials Science Forum Vols. 294 296 (1999) pp. 9-16.

90. JI.C. Швиндлерман, Б.Б. Страумал, Области существования специальных границ. Препринт, Черноголовка, 1986.

91. ЮО.Свойства элементов Под ред. Г.В.Самсонова. М: Металлургия 1976.

92. Gordon P. El-Bassyouni T.A Trans. AIME v.233 (1965) p. 399.

93. V.E.Fradkov, M.E. Gliksman, M.Palmer and K. Rajan, Acta metall.mater., 42(1994) pp. 2719-2727.

94. P.A.Beck: Adv. Phys, 3 (1954) p. 245.

95. S. Protasova, V. Sursaeva, Dimensional Effect at the Normal Grain Growth in Nanostructured Alyuminium. Recrystallization and Grain Growth. Eds. G. Gottstein and D. Molodov, Springer Verlag (2001) p. 557.169

96. G. Protasova, G. Gottstein, D.A. Molodov, V.G. Sursaeva, L.S. Shvindlerman, Triple Junction Motion in Aluminum Tricrystals, Acta Mater., 49 (2001) pp. 2519 2525.

97. S.G.Protasova, V.G. Sursaeva, The Kinetic Parameters of Triple junction motion in Aluminium, Defect and Diffusion Forum Vols. 194-199 (2001) pp. 1259- 1264.

98. V.G. Sursaeva, S.G.Protasova, Investigation of Two-dimensional Grain Growth in Al, Recrystallization and Grain Growth. Eds. G. Gottstein and D. Molodov, Springer Verlag (2001) p. 441.