23. Диффузия в металлах и сплавах. Роль диффузии в процессах обработки и эксплуатации металлов и сплавов.

Как отмечалось ранее, атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, непрерывно колеблются около положения равновесия. Некоторые из них приобретают столь большую энергию, что уходят со своего места в межузельное пространство, меняются местами со своими соседями, занимают находящиеся рядом вакансии и т. д. Такое перемещение атомов носит общее название – диффузия.

Различают самодиффузию и гетеродиффузию. Самодиффузия – это процесс перемещения атомов, не связанный с изменением концентрации компонентов в отдельных объемах.Гетеродиффузия сопровождается изменением концентрации. Как правило, она происходит в сплавах с повышенным содержанием примесей. Существует несколько механизмов диффузии: обменный, циклический, вакансионный, межузельный и др.

При обменном механизме два соседних атома обмениваются местами (рис. 9, а). При циклическом механизме диффузия протекает совместным перемещением группы атомов (рис. 9, б).

Для металлов наиболее вероятным является вакансионный механизм диффузии (рис. 9, в), при котором вакансии кристаллической решетки занимаются расположенными рядом атомами.

 

 

Рис. 9. Механизмы диффузии атомов: а – обменный; б – циклический; в – вакансионный; г – межузельный

 

При межузельном механизме диффузии (рис. 9, г) наблюдается переход атома из одного межузлия в соседнее. Такой механизм характерен для компонентов с малым атомным радиусом. Например, диффузия атомов углерода, азота, водорода в железоуглеродистых сплавах.

Наиболее легко диффузия протекает по границам и на поверхности зерен, где сконцентрированы дефекты кристаллического строения. Существенно увеличивает скорость диффузии повышение температуры. Так, при повышении температуры, начиная от комнатной, на каждые 10–15 °С коэффициент диффузии возрастает примерно в два раза.

 

24. Жаропрочность. Ползучесть. Характеристики жаропрочности. Методы повышения жаропрочности.

Жаропрочность – это свойство металлов и сплавов длительно сопротивляться развитию пластической деформации и разрушению под действием постоянных нагрузок при высоких температурах. Численно жаропрочность может быть выражена пределом кратковременной прочности, пределом ползучести и пределом длительной прочности. Для определения предела кратковременной прочности используют обычные машины для испытаний на растяжение, снабженные нагревательными устройствами. Для измерения температуры на образцах укрепляют термопары. Предел кратковременной прочности (предел прочности при повышенной температуре) не характеризует в полной мере свойства материала при температуре испытаний. Это характеристика дает представление о поведении материала при его горячей обработке давлением.  Длительная прочность является характеристикой сопротивления разрушению при длительном действии статической нагрузки и высокой температуры. Характеристикой длительной прочности является предел длительной прочности – величина напряжения, которое вызывает разрушение образца при данной температуре через определенный промежуток времени. Ползучесть – явление непрерывной деформации под действием постоянного напряжения. В зависимости от температуры и уровня приложенного напряжения ползучесть протекает по разным законам. Наиболее известны 4 вида ползучести: высокотемпературная ползучесть (ползучесть Андраде), диффузионная ползучесть, низкотемпературная ползучесть (логарифмическая ползучесть), неупругая ползучесть (обратимая ползучесть). Изменение характера кривых ползучести с повышением температуры испытания при постоянном напряжении показано на рисунке 25. Рисунок 25 – Кривые ползучести при разных температурах (t₁<t₂<t₃) ^ Логарифмическая ползучесть. Представим себе, что в образце имеется какое-то количество дислокационных отрезков и каждый из них может переместиться один раз. После приложения нагрузки и неупругого удлинения образца (ОА, рисунок 25) наиболее благоприятно ориентированные перместятся и произойдет пластическая деформация. В условиях постоянства приложенного напряжения оставшиеся дислокации будут удерживаться препятствиями, но с течением времени флуктуации тепловой энергии вызовут движение большинства этих дислокационных отрезков (в основном за счет поперечного скольжения) и соответствующий прирост удлинения. Однако постепенно процесс термически активируемого скольжения будет затухать (истощаться) из-за уменьшения числа дислокационных отрезков, способных перемещаться и вызывать деформацию. В результате затухает скорость прироста относительного удлинения. Логарифмическая ползучесть является неустановившейся: скорость ползучести непрерывно уменьшается со временем. С неустановившейся стадии начинается и высокотемпертурная ползучесть (отрезокА´В на кривой ОА´BCD, рисунок 25). Затем начинается стадия установившейся ползучести (ВС), при которой υ_п=const. Заканчивается кривая высокотемпертурной ползучести участком разрушения CD, до которого при испытаниях на ползучесть никогда не доходят. Основное отличие высокотемпературной ползучести от низкотемпературной заключается в более полном протекании возврата, который обеспечивается здесь переползанием дислокаций.  Принципиально ползучесть на установившейся стадии не отличается от неустановившейся. В металлах скорость установившейся ползучести контролируется обычно наиболее медленным процессом переползания дислокаций. Пластическая деформация при ползучести вызывает увеличение плотности дислокаций и деформационое упрочнение. В то же время возврат приводит к уменьшению плотности дислокаций и разупрочнению металла. В результате возврата при высокотемпературной ползучести в металле формируется полигональная структура. Основные процессы, определяющие возврат, - поперечное скольжение и переползание дислокаций.  Скорость ползучести υ_п: υ_п=υ/L³=(2·σ·b³·D)/L²·k·T, где υ – скорость миграции вакансий; σ – приложенное напряжение; Т – абсолютная температура; b³ – объем, приходящийся на одну вакансию; L – длина стороны зерна; D – коэффициент диффузии. Повышение характеристик жаропрочности (пределов ползучести и длительной прочности, релаксационной стойкости при высоких температурах) осуществляется теми же способами, что и применительно к прочностным свойствам при статических испытаниях.  Повышение жаропрочности при переходе от чистых металлов к сплавам достигается за счет образования твердых растворов на базе основного металла и частиц избыточных фаз. При выборе основы следует учитывать, что уровень жаропрочности чистого металла связан с температурой его плавления. Чем она выше, тем больше прочность межатомных связей, меньше скорость самодиффузии и, следовательно, меньше при той же температуре скорость ползучести, контролируемая скоростью переползания дислокаций. Исходя из этих же соображений, температура солидуса сплавов также должна быть по возможности выше. Если температура плавления сплава значительно ниже, чем металла-основы, то при высоких температурах чистый металл может оказаться прочнее сплава.