Неустойчивости избыточных вакансий в сплавах титана

В настоящее время можно считать установленным тот факт, что физические процессы, протекающие в металлических системах, во многом определяются видоизменениями дефектности кристаллической решетки. Система дефектов кристаллической решетки, находясь в неравновесном состоянии, подвержена развитию различного вида неустойчивостей, и в этом ключ к пониманию твердофазных процессов. Особенно заметно неустойчивости точечных дефектов и дислокаций проявляются при облучении металлов и сплавов, но многие наблюдаемые явления в твердом теле и без облучения могут оказаться результатом развития неустойчивости дефектной структуры.

Актуальной задачей современного материаловедения является исследование физических процессов, в которых проявляются неустойчивости и наблюдается самоорганизация дефектной структуры.

В настоящее время достигнуты определенные успехи в понимании как общих принципов неустойчивостей и самоорганизации дефектов решетки, так и конкретных механизмов, ответственных за наблюдаемые явления.

Пространственно-временные изменения дефектной структуры металлической матрицы вызываются потоками точечных подвижных дефектов (вакансий, междоузельных атомов, примесей и т. д.). Потоки дефектов, в свою очередь, вызываются градиентами концентраций, внутренних упругих напряжений, температуры. Важным, поэтому, является установление связей потоков точечных дефектов с причинами, эти потоки вызывающими.

При разработке механизма конкретной неустойчивости на начальном этапе важно разделение процессов, потоков на доминирующие для данного механизма и второстепенные. Столь же важным является установление физической причины возникновения в системе положительной обратной связи, приводящей к росту малых начальных флуктуаций параметров системы.

Логика настоящей работы заключается в следующем. На первом этапе на основе полученных выражений вакансионных потоков в металлических системах проанализирован набор возможных неустойчивостей, вызываемых потоками вакансий. Полученные результаты приняты за основу для разработки механизмов и проведения расчетов, связанных с конкретными физическими явлениями.

На втором этапе в качестве примеров конкретных неустойчивостей рассмотрены два различных физических явления. Во-первых, это поверхностное растрескивание сплавов титана в процессе послезакалочного отпуска. Вовторых, рассмотрен эффект кратерообразования на поверхности сплавов титана при облучении его высокоинтенсивными пучками. Подбор рассматриваемых явлений проведен с целью демонстрации всего разнообразия проявлений неустойчивостей точечных дефектов.

Цели и задачи работы.

Цель работы — построение феноменологической теории динамики вакансий в металлическом кристаллеанализ условий возникновения неустойчивостей системы вакансийрасчет конкретных экспериментально наблюдаемых явлений, связанных с неустойчивостями вакансий в сплавах титана.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: выявление связей вакансионных потоков в неравновесной металлической системе с градиентами концентраций, внутренних упругих напряжений, температурыразработка механизма и проведение расчетов механизма трещинообразования на поверхности титановых сплавов в процессе отпуска после проведения закалкиразработка механизма и проведение расчетов кратерообразования на поверхности титановых сплавов в процессе облучения высокоинтенсивным пучком.

Научная новизна.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые: получены выражения для потоков неравновесных вакансий в металлической системе, зависящих от градиентов концентраций, внутренних упругих напряжений, температурыпроведен анализ возможных типов неустойчивостей неравновесных состояний кристалла с участием вакансийпроведены расчеты неустойчивости неравновесных вакансий, приводящей к возникновению трещин’на поверхности титанового сплава при послезакалочном отпускеустановлено, что процессу поверхностного растрескивания предшествует образование вакансионных скоплений, причем источником неравновесных вакансий является мартенситное превращение в ртитанепредложен механизм кратерообразования на поверхности титанового сплава при облучении его высокоинтенсивным потоком частицв основу механизма кратерообразования положен эффект разогрева локализованных вакансионных скоплений с образованием в объеме материала жидких капель («радиационное кипение» твердого тела).

Практическая ценность работы.

Неустойчивости неравновесных точечных дефектов весьма разнообразны в своих внешних проявлениях. В большей части эти проявления негативно сказываются на расширении возможного диапазона технологических условий работы металлического материала. С этой точки зрения ясное понимание процессов, происходящих при развитии неустойчивости, позволяет предсказывать ее появление, а иногда и возможные пути предотвращения нежелательных последствий развития неустойчивости.

Нельзя полностью исключить возможность использования той или иной неустойчивости дефектной структуры кристаллической решетки в технологиях будущего. И с этой точки зрения изучение неустойчивостей может представлять практический интерес.

И, наконец, всякое новое знание, как показывает история развития науки, получает определенное практическое применение. Материаловедческие задачи в аспекте, представленном данной работой, не являются, в этом смысле, исключением.

Структура работы.

Первая глава носит обзорный характер и посвящена описанию процессов развития пространственно-временных неустойчивостей и самоорганизации в системе неравновесных дефектов кристаллической решетки металла или сплава. Приведены существующие экспериментальные результаты, обсуждаются теоретические подходы к описанию процессов неустойчивостей и самоорганизации.

Во второй главе рассмотрены возможные механизмы развития неустойчивостей в системе неравновесных вакансийполучены выражения для потоков вакансий, вызываемых градиентами концентраций, внутренних упругих напряжений, температурыанализируются различные способы образования неравновесной системы вакансий. Результатом исследований, изложенных в главе, является выработка рекомендаций по разработке механизмов неустойчивостей, которые используются в последующих главах.

Третья глава посвящена рассмотрению диффузионно-деформационной неустойчивости неравновесных вакансий применительно к явлению растрескивания поверхности Рстабилизированного титанового сплава в процессе послезакалочного старения. Показано, что термонапряжения и прямая закалка вакансий при охлаждении не обеспечивают условий для развития вакансионных скоплений, могущих служить зародышами трещин. Развитие неустойчивости вакансий в этом случае связано с интенсивной генерацией структурных дефектов при мартенситном превращении (3- титана.

Рассчитан температурный интервал отпуска, в котором наблюдается растрескивание.

В четвертой главе предложен механизм образования характерных кратеров на поверхности металлических образцов при облучении их высокоинтенсивными потоками частиц. Суть предложенного механизма состоит в предположении о перегреве области локального скопления вакансий. Перегрев связан с достаточно резким снижением коэффициента теплопроводности в области скопления. Расчеты, результаты которых приводятся в главе, показывают, что при реальных значениях параметров перегрев приводит к локальному расплавлению материала. Появление кратеров на поверхности облучаемого материала связывается с вырыванием перегретых жидких капель на поверхность образца. Таким образом имеет место «радиационное кипение» твердого тела.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Неустойчивости неравновесных вакансий развиваются вследствие восходящей диффузии под действием градиентов температуры, либо внутренних напряжений. Существуют дополнительные факторы (облучение, элементный состав, фазовые превращения и т. п.), накладывающие свой отпечаток на внешнее проявление неустойчивости.

2. Поверхностное растрескивание сплавов титана в процессе послезакалочного отпуска связано с развитием диффузионно-деформационной неустойчивости вакансий. Структурные неравновесные вакансии образуются при мартенситном превращении титана.

3. Кратерообразование на поверхности сплавов титана во время высокоинтенсивного облучения объясняется образованием в объеме твердой фазы жидких перегретых капель с последующим вырыванием их на поверхность. Возникновение капель — результат перегревной неустойчивости вакансий вследствие более низкой теплопроводности вакансионных скоплений.

Апробация работы.

Основные положения и результаты были доложены на конференциях:

1. Международная конференция «Новые перспективные материалы и технологии их получения», Волгоград, 2004.

2. 7-я Международная конференция по модификации материалов пучками частиц и плазменными потоками, Томск, 2004.

3. 4-я Международная конференция «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах», Байкал, 2004.

4. Международная научнопрактическая конференция «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности», Томск,.

2004.

5. IX Международная школа-семинар «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах. Компьютерное моделирование», Барнаул, 2005 г.

6. Международная научнопрактическая конференция «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности», Томск,.

2005.

7. Ш-я Российская научно-техническая конференция «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, 2005.

Публикации.

По материалам выполненных в диссертации исследований опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка публикаций по теме диссертации и списка литературы.

Выводы.

1. В результате расчетов получены уравнения для диффузионных потоков, зависящих от градиентов концентраций, внутренних упругих напряжений, температуры, характеристик материала и т. п. Эти уравнения могут быть использованы для анализа экспериментальных результатов и разработки механизма, ответственного за то или иное проявление неустойчивости системы неравновесных вакансий.

2. Предложен механизм диффузионно-деформационной неустойчивости неравновесных вакансий для объяснения поверхностного растрескивания массивных образцов сплавов титана после закалки. Суть механизма заключается в том, что трещина образуется за счет восходящей диффузии вакансий в поле упругих растягивающих напряжений. В свою очередь, упругие напряжения создаются при мартенситном превращении в титане.

3. Проведенные расчеты свидетельствуют о правомерности использования механизма диффузионно-деформационной неустойчивости к объяснению явления растрескивания массивных образцов титана после закалки.

4. Предложен механизм перегревной неустойчивости неравновесных вакансий для объяснения кратерообразования на поверхности сплавов при высокоинтенсивном облучении. Суть механизма заключается в том, что скопления вакансий испытывают значительный перегрев относительно окружающей среды при облучении. В результате в объеме материала образуются жидкие капли, вырывающиеся далее на поверхность.

5. Проведенные расчеты свидетельствуют о правомерности применения механизма перегревной неустойчивости для объяснения явления кратерообразования на поверхности металлических образцов при их высокоинтенсивном облучении.

Публикации по теме диссертации.

1. Орлов В. Л., Гребенков А. А., Луговой Т. В. Сегрегация и выделение новой фазы в бинарном сплаве с ГЦК-решеткой. Новые перспективные материалы и технологии их получения — 2004: Сб. науч. тр. Международной конференции. В 2-х т. Том 1 / Волгоград, гос. техн. ун-т, Волгоград, 2004 — С. 107−109.

2. Орлов В. Л., Луговой Т. В. Проблемы радиационной стойкости металлов//Доклады Международной научно-практической конференции «Физико — технические проблемы атомной энергетики и промышленности» 15−19 июля 2004 г., ТПУ, Томск, 2004. — С. 158−160.

3. Орлов В. Л., Орлов А. В., Гребенков А. А., Луговой Т. В., Некрасов Р. А. Радиационные эффекты в сплаве Ni-Si// Труды IV международной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах», Томск: изд-во ТПУ, 2004. — С. 248−251.

4. Орлов В. Л., Орлов А. В., Луговой Т. В. Поверхностное растрескивание титановых сплавов в процессе послезакалочного отпуска// Ползуновский вестник, 2005, — № 4, 4.1. — С. 131−135.

5. Орлов В. Л., Луговой Т. В. Механизм образования кратеров на поверхности облученных металлов//Доклады Международной научно-практической конференции «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности». — ТПУ, Томск, 2005. — С. 170−173.

6. Орлов В. Л., Орлов А. В., Луговой Т. В. Расслоение в металлических системах//Доклады Международной научно-практической конференции «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности». -ТПУ, Томск, 2005. — С. 173−175.

7. Орлов В. Л., Орлов А. В., Луговой Т. В. Образование трещин при старении закаленного сплава титана//Фундаментальные проблемы современного материаловедения. — 2005. — № 2. — С. 27−30.

8. Орлов B.JI., Орлов А. В., Луговой Т. В., Гребеньков А. А., Некрасов РА. Характерный масштаб макроскопического расслоения в металлической системе// Фундаментальные проблемы современного материаловедения. -2005. -№ 2. — С. 81−84.

9. Орлов В. Л., Луговой Т. В. Физика образования кратеров на поверхности металлов после высокоинтенсивного облучения//Сборник тезисов докладов Ш-ей Российской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов». — Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУУПИ», 2005. — С. 146−147.

Заключение

.

Точечные дефекты кристаллической решетки оказывают существенное влияние на процессы структурно-фазовых превращений в металлических системах. Особенно велика роль вакансий, т. к. именно они ответственны за диффузионные перемещения атомов, без которых не обходится ни одно превращение. Вакансии существенным образом влияют на физические свойства кристаллов (электропроводность, теплоемкость и др.), а через диффузионные процессы и на механические свойства, прочность и пластичность материалов, особенно при высоких температурах.

Известно, что наряду с равновесными вакансиями необходимо учитывать возможность существования в кристалле вакансий, концентрация которых не соответствует условию минимума свободной энергии, — неравновесных. Неравновесные вакансии появляются в кристалле, когда внешние условия меняются очень быстро и система не успевает прийти в состояние равновесия. Это наблюдается, например, при быстром нагреве и охлаждении (закалка вакансии), при деформации, облучении и т. д. Кроме того, стационарную неравновесную концентрацию вакансий можно, при некоторых условиях, зафиксировать действием постоянной силы, например, постоянным во времени градиентом температуры.

Наличие в материале неравновесных избыточных вакансий в первую очередь приводит к ускорению диффузионных процессов со всеми вытекающими отсюда последствиями. Кроме того, неравновесные вакансии способны вызывать явления достаточно специфические, которые могут быть охарактеризованы как неустойчивости системы избыточных вакансий. Наиболее известным случаем развития неустойчивости системы избыточных вакансий является радиационное порообразование. При облучении металлов, сплавов нейтронами, либо заряженными частицами, неравновесные вакансии объединяются в поры. Основные закономерности радиационного порообразования хорошо объясняются механизмом диффузионно-деформационной неустойчивости неравновесных вакансий.

Образованием радиационных пор не исчерпываются наблюдаемые физические явления, ответственными за появление которых предположительно могут быть неустойчивости неравновесных вакансий. Ознакомление с работами, посвященными неустойчивостям точечных дефектов в металлических системах, позволило сформулировать цель диссертационной работы. На первом этапе предполагалось получить выражения для диффузионных потоков в зависимости от внешних термодинамических параметров и характеристик системы неравновесных вакансий. В значительной мере это было сделано. Результаты представлены в главе 2. Полученные в главе 2 выражения для диффузионных потоков могут быть использованы (и используются в последующих главах) для конструирования новых неустойчивостей системы неравновесных вакансий в конкретных экспериментально наблюдаемых ситуациях.

Последующие главы диссертационной работы связаны с разработкой конкретных механизмов неустойчивостей неравновесных вакансий. При выборе экспериментальных ситуаций, рассматриваемых в главах 3 и 4, определяющим было стремление показать, что внешние проявления неустойчивостей могут быть весьма разнообразными. Действительно, рассмотренные примеры поверхностного растрескивания массивных заготовок титанового сплава после закалки и возникновение кратеров на поверхности сплавов при высокоинтенсивном облучении резко различаются. Прежде всего, различными являются способы создания неравновесных вакансий. В первом случае вакансии сохраняются после закалки сплава и в результате мартенситного превращения. Во втором случае вакансии создаются пучком облучения. Также различными являются предполагаемые механизмы развития неустойчивостей. В случае поверхностного растрескивания сплава титана наблюдаемые экспериментальные результаты удалось объяснить диффузионно-деформационной неустойчивостью, примененной ранее к описанию радиационных пор. Во втором случае предложен свой оригинальный механизм перегревной неустойчивости. В результате действия этого механизма в объеме твердого материала образуются жидкие капли, которые перегреваются и вырываются на поверхность образца.

В обоих приведенных механизмах расчеты проведены для сплавов титана. И то, и другое явление (растрескивание и кратерообразование) наблюдаются и в других материалах.

По-видимому, следует дополнительно оттенить достоинства предлагаемых в диссертационной работе подходов и результатов. В первую очередь следует отметить разработку двух механизмов неустойчивостей. Достоверность результатов доказывается проведенными расчетами с использованием реальных характеристик материалов. Расчеты проведены для сплавов титана, однако аналогичные результаты могут быть получены и для других металлических систем.

Другое важное достоинство диссертационной работы заключается в том, что она может стимулировать дальнейшие исследования, причем не только связанные с неустойчивостями вакансионной подсистемы, но и с неустойчивостями междоузельных атомов, неустойчивостями дислокационной структуры и т. п.