Размерные эффекты спекания и рекристаллизации ультрадисперсных сред тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение

Г л а в а I. Специфические черты процессов спекания и рекристаллизации в ультрадисперсных средах

1.1. Процессы проскальзывания по границам зерен и современные модели строения границ. II

1.2. Нерегулярности границ и их влияние на кинетику усадки ультрадисперсных порошков.

1.3. Миграция границ в; ультрадисперсных средах и ее; взаимосвязь а процессами массопереноса.

Физические свойства ультрадисперсных сред (УДС) открывают исключительные по своему значению перспективы применения материалов на их основе для решения проблем материаловедения по повышению прочностных свойств, ударной вязкости и т.п. УДС нашли также применение благодаря своим уникальным свойствам в радиоэлектронике, ядерной энергетике и в других отраслях народного хозяйства.

В физике конденсированного состояния физика малых частиц занимает промежуточное положение между молекулярной физикой и физикой твердого тела. Изучение промежуточной области очень важно с теоретической точки зрения для дальнейшего понимания вопросов, связанных с релаксационными процессами в ультрадисперсных порошках (УДП), со структурными свойствами малых частиц (МЧ) и т.д., а также и с технологической точки зрения. Для фундаментальной науки изучение индивидуальных и коллективных свойств МЧ требует пересмотра устоявшихся физических принципов, введения понятий о новых механизмах и поиска нетрадиционных методов изучения ультрадисперсного состояния материи.

Эволюция плотности УДС от начального состояния - порошка,до конечного - материала со сверхмелким зерном, проходит в несколько стадий, которые условно можно разделить на три этапа.

На первом этапе образуется сверхпористая структура с пористостью 0 ~ 90$.

Второму этапу эволюции плотности УДС соответствует пористость &~60% - 40%, когда основным процессом переноса массы является проскальзывание частиц друг относительно друга, приводящее к уплотнению УДС.

Третьему этапу соответствует интенсивный рост зерен УДС, обусловленный активным характером рекристаллизации, пористость га этом заключительном этапе составляет порядка нескольких проценов. Существование первых двух стадий эволюции уплотнения харак. ерно только дня УДИ.

К моменту постановки данной работы исследование закономерное-?ей каждого этапа усадки УДП, выяснение характерных для каждого этапа условий на размеры Ш, обсуждение механизмов, связанных с ими, систематически не проводились.

В связи с этим тема диссертационной работы является актуальной.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и библи-эграфии, включающей 118 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обоснован механизм движения МЧ как целого на ранней стадии спекания УДП, приводящий к высоким скоростям усадки. На основе представлений Райса, обобщенных на случай контактирования кристаллических решеток частиц, получено кинетическое уравнение усадки порошков адекватно описывающее процесс спекания УДП. Показано, что смена доминирующего механизма массопереноса в УДС является размерным эффектом.

2. Дано теоретическое обоснование эффекту Агте-Вацека в УДС базирующееся на механизме взаимного проскальзывания, которое контролируется примесными атомами в границе, не растворимыми в материале МЧ.

3. Предложен микроскопический метод описания эффекта изменения температуры плавления МЧ, основанный на анализе размерной зависимости фононного спектра. Показана возможность качественного изменения температуры плавления в зависимости от того}свободна граница МЧ или плакирована тугоплавкой оболочкой.

4. На основе анализа процесса неконсервативной миграции границ в процессе рекристаллизации УДС установлено, что в течение короткого промежутка времени (порядка нескольких минут) уровень плотности вакансий в УДС может быть сравним с уровнем плотности вакансий при температурах близких к температурам плавления и установлен размерный эффект рекристаллизации УДС.

5. На основе применения теории диффузионно-вязкого течения поликристаллических тел для случая активной стадии рекристаллизации УДС установлено, что вязкость УДС снижается на несколько порядков по сравнению с вязкостью системы с той же дисперсностью в отсутствие миграции границ.

All

6. Показано, что пластическая деформация УДС может приводить к генерации вакансий концентрация которых порядка концентрации термодинамически равновесных вакансий при температуре, близкой к температуре плавления.

7. Экспериментально обнаруженный эффект образования при температуре Т=300°К химического соединения СоТе£ при пластической деформации смеси УДС взаимнонерастворимых в твердом состоянии компонент Со и Те, полностью объясняется на основе развитых представлений о генерации неравновесных вакансий при пластической деформации УДС.

8. Установлено количественное соответствие между предсказанным теоретической моделью значением концентрации вакансий, образующихся при рекристаллизации УДС никеля и значением концентрации экспериментально обнаруженным методом аннигиляции позитронов. Наличием таких вакансий объяснена синбатность процессов рекристаллизации, гомогенизации и спекания смеси УДС никель-константан Си 50$ - Mi 50%). —

1. Морохов И.Д., Трусов Л.И., Лаповок В.Н. Физические явления в ультрадисперсных средах.- М.: Энергоатомиздат, 1984, 224с.

2. Трусов Л.И., Аскунтович Н.Г., Боровикова Р.П., Науменко И.Г., Гелейшвили Т.П. Экспериментальное исследование эффекта зонального обособления в ультрадисперсных средах.- ФТТ, 1985, т.27, в.б, с.1521-1524.

3. Лаповок В.Н., Новиков В.И., Свирида С.В., Семенихин А.Н., Трусов Л.И. Образование неравновесных вакансий при рекристаллизации ультрадисперсного порошка никеля.- ФТТ, 1983, т.25,в.б, с.1846-1848.

4. Новиков В.И., Трусов Л.И., Лаповок В.Н., Гелейшвили Т.П. О механизме низкотемпературной диффузии, активированной мигрирующей границей.- ФТТ, 1983, т.25, с.3696-3698.

5. Новиков В.И., Трусов Л.И., Лаповок В.Н., Релейшвили Т.П. , Рекристаллизационный механизм спекания ультрадисперсных порошков.- Порошковая мет., 1984, №5, с.28-34.

6. Новиков В.И., Трусов Л.И., Лаповок В.Н., Гелейшвили Т.П. Особенности процессов переноса массы в ультрадисперсных средах-Порошковая мет., 1983, № 7, с.39-46.

7. Новиков В.И., Трусов Л.И., Лаповок В.Н., Гелейшвили Т.П. Особенности роста частиц ультрадисперсных порошков при спекании.-Порошковая мет., 1984, № 3, с.30-35.

8. Грязнов В.Г., Трусов Л.И., Лаповок В.Н., Князев Е.В., Гелейшвили Т.П., Квернадзе М.В. Коллективные эффекты при диффузионном взаимодействии в ансамбле малых металлических частиц. -ФТТ, 1983, т.25, в.8, с.2290-2298.1. ~ 7

9. Гегузин Я.Е., Макаровский Н.А., Богданов В.В. Об особенностях механизма спекания прессовок из ультрадисперсных порошков.-Порошковая металлургия, 1984, № 6, с.39-44.

10. Гегузин Я.Е., Макаровский Н.А., Богданов В.В., Водкин П.В., Завизион В.В. Спекание ультрадисперсных порошков в режиме их нагрева. Порошковая мет., 1984, № 8, с.33-38.

11. Mott К.P. Slip at grain boundaries and grain growth in metals.-Proc.Phys.Soc (London), 1948, v.60, p.391-394.

12. Prank P.O., van der Merwe J.H. One dimensional dislocations. I Static theory. Proc.Roy.Soc., 1949, V.A198, p.205-215.

13. Gifkins R.C. Development of the island model for grain boundary.-Mater.Sci. and Eng., 1967, v.2, p.181-192.

14. Chalmers В., Gleiter H. Reinterpretation of coincidence model for grain boundaries. - Phil. Mag., 1971, v.23, Wo.12, p.1541-68,

15. Brandon D.G. Structure of high angle grain boundaries. -Acto Hut., 1966, v.12, p.1479-1482.

16. Li J.C.H. High-Angle Tilt Boundary a dislocation core model.-J.Appl.Phys., 1961, v.32, p.525-541.

17. Bollman W. The basic consepts of the o-lattice theory. -Surf.Sci.1972, v.31, p.1-11.

18. Глейтер Г., Чалмерс Б. Большеугловые границы зерен.- М.; Мир, 1975, 376с.

19. Reiss Н. dotation and transition of islands in the growth of heteroepitaxial films. J.Appl.Phys., 1968, v.39, No 11,p.5045-5061.1. ASo

20. Van der Merwe J.H. Analitical selection of ideal epitaxid configurations and some speculations on the occurence of epitaxy I. Epitaxy with rectangular interfacial atomic meshes. Phyl. Mag., 1982, v.A 45, No 1, p.127-143.

21. Van der Merwe J.H. Analitical selection of ideal epitaxial configurations and some speculations on the occurence of epitaxyll. Epitaxy of (111) f.c.c. overlayers on (110) b.c.c. substrates. -Phyl.Mag., 1982, v.A 45, No 1, p.145-157.

22. Van der Merwe J.H. Analitical selection of ideal epitaxial configurations and some speculations on the occurence of epita-xylll. Epitaxy of thin (111) f.c.c. films on (110) b.c.c. substrates by coherence. Phyl.Kag., 1982, v.A 45, No 1, p.159-170

23. Морохов И.Д., Петинов В.И., Трусов Л.И., Петрунин В.Ф. Структура и свойства малых металлических частиц.- УФН, 1984, т.133/ в.4, с.653-692.

24. Петров Ю.И. Физика малых частиц.- М.: Наука, 1982 -359с.

25. Fridel J. La physique des surfaces metalliques propres. -Ann. de Phys., 1976, v.l, p.257-308.

26. Colliard C., Buffat P., Paes P. Equilibrium structure of small gold particles. - J.Cryst. , 1976, v.32, N 1,p.123-125.

27. Морохов И.Д., Трусов Jl.И., Чижик С.П. Ультрадисперсные металлические среды.- М.: Атомиздат, 1977 264с.

28. Granqvist C.G., Buhrman R.A. Ultrafine metal particles. -J.Appl.Phys., 1976, v.47, No5, p.2200-2220.

29. Косевич В.М., Иевлев В.М., Палатник Л.С., Федоренко А.И. Структура межкристаллитных и межфазных гранщ. М.: Металлургия, 1980, -256о.

30. Трусов Л.И., Холмянский В.А. Островковые металлические пленки. -М.: Металлургия, 1973. -273с.

31. Kreibig U. Lattice defects in small metallic particles and the' dependence on size effects. Z.Phys.,1978,В 31,No 1,p.39-47.

32. Новиков И.И., Портной В.К. Сверхпластичность сплавов с ультрамелким зерном. -М.: Металлургия, 1981, -168с.

33. Бурке Дд. Сверхмелкое зерно в металлах. М.: Металлургия, 1973, с.384.

34. Орлов А.И., Перевезенцев В.И., Рыбин В.В. Границы зерен в металлах. -М.: Металлургия, 1980. -154с.

35. Bruce L.A., Jaeger Н. Geometric factors in f.c.c. and b.c.c. metal-on-metal epitaxy. III. Phyl.Mag., 1978, v.A 38, No 2, p.223-240.

36. Kotze T.A., Lombard J.C. Henning C.A*0. The accomodation of epitaxy metal embrions on vitrous alcali halyds. Thin Solid films 1974, v.23, No 2, p.221-232.

37. Трусов Л.И., Кац Е.И., Новиков В.И., Кузенкова М.А. Коллективное поведение ультрадисперсных частиц на подложке. Кристаллография, 1982, т.27, в.З, с.566-570.

38. Гегузин Я.Е. Диффузионное деформирование пористых кристаллических структур. ФТТ, 1975, т.17, №7, 1950-1954.

39. Ван дер Мерве Дж.Х. Несоответствие кристаллических решеток и силы связи на поверхности раздела между ориентированными пленками и подложками. В сб.: Монокристаллические пленки. М.: Мир, 1966, с.172-201.

40. Рид В.Т. Дислокации в кристаллах. М.: Металлургиздат, 1957,- 280с.ыг

41. Goux С. Structure des joints de grains dans les metaux purs calcul de lenergie intergranulaire. Cuba Met., 1963,v. 11, Ко 1, p.111-120.

42. Seeger A.,'Schottky G. Energy and electrical resistivity of high-angle grain boundaries in metals. Acta Let., 1959, v.7, No 6, p.495

43. Ishibashi Y., Suzuki I. On the calculation of the pierls energy of kinks due to discretness of substrate lattices. J.Phys. Soc.Jap., 1984, v.53, No 12, p.4250-4256.

44. Munkata T. Substrate-strain effect on the Frenkel-Kontorova system. J.Phys.Soc.Jap., 1983, v.52, No 5, p.1635-1644.

45. Frenkel J., Kontorova T. On the theory of plastic deformation and twinning. J.Phys. USSR, 1939, v. 1, No 2, p.137-157.

46. Косевич B.M., Палатник Л.С., Сокол А.А., Архипов П.П. Центры зарождения конденсированной фазы на ионных кристаллах- ДАН СССР, 1968, т. 180, № 3, с.586-590.

47. Сокол А.А., Косевич В.М. Влияние примесей в ионных кристаллах на эпитаксию золота.- Кристаллография, 1969, т.14, № 3, с.527-528.

48. Федорченко И.М., Андриевский Р.А. Основы порошковой металлургии.- Киев.: Из-во АН УССР, 1961,-с.480.

49. Агте К., Вацек И. Вольфрам и молибден.- М.: Энергия, 1964,-426с.

50. Гегузин Я.Е. Физика спекания.- 2-е изд.- М.: Наука, 1984,-312с.

51. Паничкина В.В., Радченко П.Я., Скороход В.В. Изменение пористой структуры при активном и активированном спекании вольфрама.- Порошковая мет., 1983, № б, с.24-28.

52. Eyeing L.D., Яо А.С. Nickel activated model sintering oftungsten. Sci.Sinter., 1979, v.11, llo 1, p.43-54.

53. Панин В.E., Кочепасов И.И., Ким Е.С., Заяц И.И. Дефектная структура порошков и механизм активированного спекания тугоплавких элементов У1 группы.- Порошковая мет., 1978, № 10, с.32-37.

54. Friedman S., Britt J. Diffusion of nickel in tungsten with impurities during recrystallisation coused by nickel. -Trans.Met.Soc. AIME, v.242, No 10, p.2121-2127.

55. Скороход В.В., Солонин С.М. Физико-металлургические основы спекания порошков. М.: Металлургия, 1984,-159с.

56. Новиков В.И. Низкотемпературный массоперенос в ультрадисперсных средах Си , Ni, A(j , W и создание эффективных пористых материалов на их основе: Автореф. Дис. канд.техн.наук.-Черноголовка, 1985,- 138с.

57. Кватая Н.Д. Спекание ультрадисперсных порошков W, полученных в высокотемпературном потоке, в присутствии ультрадисперсных порошков Ni.-ФТТ, 1985, Т.27, в.8, с. 2290-2296

58. Алексеев Н.В., Дубровина А.Н., Зубенко В.А., Лаповок В.Н., Терехов С.Б., Князев Е.В. Некоторые особенности формирования УДП в высокотемпературных процессах.- В сб.: Дисперсные порошки и материалы на их основе, 1982, Киев, ИПМ, с.8-12.

59. Kristensen W., Jensen E.J., Cotterill R.H.I. Thermodynamicsof small clusters of atoms: A molecular dynamics simulation. -J.Chem.Phys., 1973, v.60, No 11, p.4l6l-4l69.

60. Etters R.D., Kaelberer J. Thermodynamic properties of small ' aggregates of rare-gas atoms. Phys.Rev., 1975, v.A 11,1. No 3, p.1068-1079.

61. Etters R.D., Kaelberer J. On the character of the melting transition in small atomic aggregates. J.Chem.Phys., 1977, v.66, No 11, p.5112-5116.

62. Пайнс Д. Элементарные возбуждения в твердых телах.- М.:Мир, 1965,- 382с.

63. Петров Ю.И., Котельников В.А. О факторе Дебая-Валлера и параметре решетки для малых частиц металлов. ФТТ, 1975, т.13, в.1, с.313-315.

64. Tamura A., Higeta К., Ishinokawa Т. The size dependence of vibrational eigenfriquences and meansquare vibrational displacement of a small particles. J.Phys.C., 1983, v.16,p.1585-1592.i

65. Iu.I,Petrov, Y.A.Kotelnikov. Lattice Contractions in Micro-crystals of Metals in the Range of Overheating. Phys.Stat. Sol., 1969,4.34, p.123-127.

66. Петров Ю.И. Аномалии теплового расширения и плавления малых кристаллов алюминия.- ФТТ, 1963, т.5, с.2461-2476.

67. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов.2-е изд.-М.: Металлургия, 1978.- 568с.7Х. Ilillert К., Purdy G.R. Chemicaly induced grain boundary migration. Acta Met., 1978, v.26, p.333-340.

68. Cahn J.M., Pan J.D., Ballufi R.W. Diffusion induced grain boundary migration. Scripta Iv'et., 1979, v.13, p.503-509.73# Shewman P.G. Diffusion driven grain boundary migration. -Acta Met., 1981, v.29, p.1567-1572.

69. Balluffi R.W., Cahn J.W. Mechanism for diffusion induced grain boundary migration. Acta Met., 1981, v.29, p.493--500.

70. Штремель M.A. Прочность сплавов.4.1. Дефекты решетки.- М.: Металлургия, 1982,- 277с.

71. Gleiter Н. Theory of grain boundary migration rate. Acta Met., 1969, v.17, p.853-862.77# Pan J.D., Balluffi R.W. Diffusion induced grain boundarymigration in An-Cu and An-Ag thin films. Acta Met., 1982, v.30, p.861-870.

72. Smidoda K., Gottschalk W., Gleiter H. Diffusion in migrating interfaces. Acta Met., 1978, v.26, p.1033-1836.

73. Гегузин Я.Е., Кагановский Ю.С., Парицкая JI.H. "Холодная" гомогенизация при взаимной диффузии в ультрадисперсных средах.-ФТТ, 1982, т.54, в.1, с.137-141.

74. Копецкий И.В., Швиндлерман Л.С. Миграция индивидуальной гра-г ницы зерна в плотноупакованных металлах. Влияние примесногои ориентационного фактора. В кн.: Металлы высокой чистоты. М.:Наука, 1976, с.73-104.

75. Estrin Y., Lucke К. Grain boundary motion II. The effect of vacancy production on steady state grain motion. Acta Metall., 1981, v.29, p.781-799.

76. Горелик С.С., Блантер М.С. Образование вакансий при рекристаллизации.- Изв.АН СССР Металлы, 1982, № 2, с.90-93.

77. Glaiter Н., Manajan 3., Bachman K.J. The generation of lattice dislocations by migrating boundaries, Acta Met., 1980, v.28, p.1603-1610.

78. Лаповок B.H., Новиков В.И., Свирида С.В., Семенихин А.Н., Трусов Л.И. Образование неравновесных вакансий в ультрадисперсном порошке никеля при пластическом течении под давлени-(ем.- ФММ, 1984, т.97, в.4, с.718-721.

79. Новиков В.И., Свирида С.В., Трусов Л.И., Лаповок В.Н., Грязнов В.Г., Гелейшвили Т.П. Активация процессов диффузии и фазовых превращений в ультрадисперсных средах при пластической деформации.- Металлофизика, 1984, т.б, № 3, с.114-115.

80. Лифшиц И.М. К теории диффузионно-вязкого течения поликристаллических тел.- ЖЭТФ, 1963, -в.44, в.4, с.1349-1367.

81. Новиков И.И., Портной В.К. Сверхпластичность сплавов с ультрамелким зерном.- М.:Металлургия, I98I.-I68c.

82. Шкловский Б.И., Эфрос Д.Л. Электронные свойства легированных полупроводников.- М.:Наука, 1979.-416с.

83. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и её приложения. T.I- М.:Мир, 1984.-528с.

84. Справочник по специальным функциям под ред. Абрамовича и Стиган И.- М.:Наука, 1979.-832с.

85. Френкель Я.И. Кинетическая теория.жидкостей.- М.: Изд-во Академии наук СССР, 1945.-424с.

86. Браут Р. Фазовые переходы.- М.:Мир, 1967,- 288с.

87. Фано У., Фано Л. Физика атомов и молекул.- М.: Наука,1980.-656с.

88. Couchman P.R., Karatz Р.Б. The effect of particle size on Debye temperature. Phys.lett., V.62A, No 1, p.59-61.

89. Грязнов В.Г., Гурский М.А., Трусов Л.И., Айвазов А.А. Влияние состояния поверхности на температуру плавления малых металлических частиц.- ФТТ, 1982, т.24, в.2, р.529-533.

90. Bolts Н.Р. Asimptotic eigenvalue distribution for the wave equation in a cylinder of arbitrary cross section. Phys. Rev., v. A 6, No 6, p.2252-2256.1.~ ~ \

91. Трефилов В.И., Мильнан Ю.В., Фиретов С.А. Физические основы прочности тугоплавких металлов.- Киев: Наук.Думка,1975.-315с.

92. Свирида С.В. Исследование дефектов структуры ультрадисперсных сред методом аннигиляции позитронов: Автореф.Дис.канд. физ.-мат.наук- Москва, 1985.- 196с.

93. Чижов П.Е., Петинов В.И. Примесные атомы в малых металлических частицах.- В кн. Ультрадисперсные частицы и их смеси Сб.науч.тр. Киев: Наук.Думка, 1982, с.15-19.

94. Tholen A.R. On possible vibrations in small metall particles Phys.Stat.Sol.(a), 1980, v.60, p.153-166.

95. Хирт Дж., Лотте И. Теория дислокаций.- М.: Атомиздат, 1972.-600с.

96. Кендалл М., Моран А. Геометрические вероятности М.: Наука, 1972.-198с.I

97. Eoleko L.K., Glyde H.R. 6rystal stability, thermal vibration and vacancies. Phys.Rev., 1984, v.В 30, No 8, p.4215-4229.1

98. Федоров В.Б., Курдюмов В.Г., Хакимова Д.К., Яковлев Е.Н., Морохов И.Д., Татьянин Е.В., Белоусов O.K. Эффект диспергирования при пластической деформации.- ДАН СССР, 1983, т.269, № 4, с.885-889.

99. Лифшиц И.М., Слезов В.В. 0 кинетике диффузионного распада пересыщенных твердых растворов.-ЖЭТФ,т.35,в.2, с.469-481.

100. Pliskin W.A., Eischens R.P. Infrared spectra of chemisorbed moleculs. -Z.Electroch., v.60, No 8, p.782-788.

101. Палатник А.С., Комник Ю.Ф. Исследование температуры плавления тонких конденсированных слоев Sn и Ьь .-ФММ, 19б0,т.9, с.374-378.

102. Buffat Ph., Borel J.P. Size effect on the melting temperature of gold particles. Phys. Rev., 1976, v.A 13, p.2287-2298.

103. Gladkich V.N., Niedermayer R., Spiegel K. Nachweis grosser schmelzpunktserniedrigungen bei dunnen metallschichten. -Phys.St.Sol., 1966, v.15, p.181-203.

104. Coombec C.J. The melting of small particles of lead and indium. J.Phys.P., 1972, v.2, No 3, p.441-449.

105. Волков A.E., Николаев П.Н., Кузьмин С.JI. Пластичность превращения в кристаллах, содержащих границы раздела фаз.- В кн.:

106. Всесоюзн. конф."Структура и свойства границ зерен" (тез. докл.), УФА, 1983, с.77.

107. Петров Ю.Н. , Свечников В.Л. Мартенсит деформации в титановом сплаве ВТ22.- Металлофизика, 1983, 5, № 3, с.34-37.

108. Жорин В.А., Макарова И.Ф., Ген М.Я., Ениколопян И.С.- Образование твердых растворов металлов при пластическом течении под высоким давлением.- ДАН СССР, 1981, 261, № 2, с.405-408.

109. Bay R.'Correlations betveen cavitation, creep and dilatation for multiaxial loading. Acta Met., 1983, v.31, No 1,p.29-36.

110. Кузнецова P.И., Жуков Н.И., Пойда В.П. Взаимосвязь деформационных процессов разрушения и порообразования при сверхпластическом течении сплава Q& 4 мас.% Ge - Металлофизика, 1983, 5, № 3, с.76-82.лъя

111. Лариков Л.Н. Динамический возврат и динамическая рекристаллизация.- Изв. АН СССР, Металлы, 1982, № 2, с.69-75.

112. Смитлз К.Дж. Металлы. М.: Металлургия, 1980, 386с.

113. Принощу глубокую благодарность моему научному руководителю профессору Льву Ильичу Тру сову и коллегам по работе за неизменную поддержку и доброе отношение.