14. Ползучесть кристаллических тел

Я.Е. Гегузин, популярно излагая физическую природу явлений, сопровождающих нагрев порошкового тела, сформулировал следующее определение: «Спекание — диффузионная ползучесть под воздействием сил поверхностного натяжения». Такое понимание родственности процессов спекания и ползучести возникло еще у Я.И. Френкеля, а затем было развито в работах Набарро, Херрин-га, Б.Я. Пинеса и Кучинского.

На рисунке 8 приведена схема, иллюстрирующая эту аналогию. В бездефектном кристалле в форме цилиндра, один конец которого закреплен, а к другому подвешен груз (масса которого заведомо меньше той, которая может создать напряжения, превышающие _т материала монокристалла), напряжения в любых двух точках в объеме кристалла совершенно одинаковы. Различия возникают на поверхности: к торцевым поверхностям кристалла приложены растягивающие, а к боковым — сжимающие напряжения, созданные и поддерживаемые грузом, подвешенным к кристаллу. Таким образом, вблизи торцевых поверхностей концентрация вакансий по сравнению с равновесной повышена, а на боковых поверхностях — понижена. Следовательно, должен возникнуть (и возникает!) направленный поток вакансий от торцевых поверхностей кристалла к его боковым поверхностям (или поток атомов в противоположном направлении). В результате кристалл утончается (атомы ушли от боковой поверхности!) и удлиняется (атомы пришли к торцевым поверхностям!). Это и есть ползучесть кристалла в связи с диффузионным механизмом перемещения атомов, которую поэтому называют диффузионной ползучестью.

Спекание порошкового тела, содержащего изолированные поры или являющегося пространственной конструкцией, в которой перемежаются соприкасающиеся порошинки и пустота (поры), сопровождается ползучестью вещества этого тела. Механизмы деформации (ползучести) кристаллического тела в области достаточно высоких температур спекания могут быть различными. Выделяют непороговые механизмы, определяющие деформирование при сколь угодно малых напряжениях а, и механизмы пороговые, проявляющие себя при напряжениях , превосходящих некоторое предельное значение *. При непороговом механизме деформирования (< *) кристаллическое тело ведет себя подобно ньютоновской жидкости, отличаясь от нее тем, что коэффициент текучести его вещества зависит от структурного состояния тела и может изменяться во времени. При >* возбуждаются пороговые механизмы, при которых ползучесть может являться следствием перемещения дислокаций, сопровождающегося преодолением различного рода препятствий, причем одновременно могут действовать и непороговые механизмы.

Рисунок 8 - Направленные потоки вакансий (- - ) и атомов (),

возникающие на боковых и торцевых поверхностях монокристалла

под влиянием создаваемых напряжений

Общим признаком всех механизмов непороговой ползучести является направленный диффузионный поток вакансий (или, что то же самое, поток атомов в противоположном направлении), который возникает в пределах каждого из элементов структуры из-за градиента концентраций вакансий (рисунке 9). Этот поток может привести к изменению формы соответствующего элемента структуры без изменения его объема. Существенным в этом процессе является то, что неоднородные диффузионные потоки в пределах отдельного элемента структуры не создают макроскопического потока в масштабах всего порошкового тела. Деформирование всех элементов структуры, т. е. кристаллического порошкового тела как целого, является процессом самосогласованным в том смысле, что на их границах раздела не возникают нарушения сплошности и изменение формы данного элемента структуры зависит от изменения формы элементов, находящихся с ним в непосредственном соседстве (рисунке 10). Этот процесс подобен деформированию совокупности соприкасающихся резиновых оболочек, заполненных песком, вследствие движения (пересыпания) песчинок в каждой из них. Самосогласованное изменение формы элементов структуры порошкового тела приводит к направленному перемещению их центров тяжести, которое подобно перемещению молекул при течении вязкой жидкости. И.М. Лифшиц показал что этот процесс должен сопровождаться скольжением кристаллов (частиц) друг относительно друга. Таким образом, вязкое течение кристаллических" тел при малых нагрузках и диффузионное перераспределение вещества за счет градиента концентраций вакансий в объеме элементов его структуры — идентичные процессы, в основе которых лежит вакансионный механизм. Поэтому принято говорить о диффузионно-вязком течении (диффузионной ползучести) порошковых тел при спекании, которое имеет место при выполнении условия

,

где  - угол разориентировки соседних кристаллов; при /L  10^-4 угол  должен быть > 1⁰;  - атомный диаметр; L – линейный размер кристалла.

Рисунок 9 - Схема диффузионных потоков вакансий (1) и атомов (2)

в поликристаллическом образце под нагрузкой

Рисунок 10 - Схема деформирования полликристалического образца

вследствие диффузионно-вязкого преобразования формы зерен,

находящихся под воздействием напряжения  (меанизм Наббаро-Херринга-Лифшица)

Рассмотренный механизм Набарро—Херринга—Лифшица относится к идеализированному кристаллическому телу, где сетка «аморфизованных» границ является единственным признаком неравновесности, тогда как в реальных порошковых телах имеется значительное количество одиночных краевых дислокаций, неконсервативное движение («переползание») которых в поле напряжений может существенно определять кинетику ползучести. С этим, видимо, связана экспериментально наблюдаемая неустановившаяся ползучесть в режиме непорогового деформирования и ее зависимость от предыстории образца.

Около тридцати лет тому назад М.Ф. Эшби и Р.А. Ферралла предложили диффузионно-аккомодационный механизм течения поликристаллических структур, согласно которому деформация каждого зерна может нарушать их соседство (в отличие от механизма диффузионно-вязкого течения по Набарро-Херрингу-Лившицу, когда каждое зерно, деформируясь, не меняет своих соседей). В этом процессе макроскопическая деформация является следствием двух процессов - взаимного скольжения соприкасающихся зерен и диффузионной подстройки (аккомодации) их формы к форме зерен непосредственного окружения. На рисунок 11 схематически показана возможность такого процесса: зерна 2 и 4 разобщились, а зерна 1 и 3 стали соседями; для осуществления аккомодационной деформации зерен необходим диффузионный перенос массы объемом порядка 14 % объема зерна как механизмом объемной, так и механизмом граничной диффузии. Принципиально важным является дополнение Б.Я. Пинесом и др. этой модели ползучести поликристалла, предполагающее взаимное смещение зерен как целого с учетом возможности (при надлежащем уровне напряжений) появления и залечивания зерно-граничных пор, существенно облегчающих аккомодацию (рисунок 12). Диффузионно-аккомодационный механизм может отчетливо проявляться в пористых структурах, где в связи с наличием пустоты аккомодационная подстройка должна быть существенно облегчена.

Рисунок 11 - Последовательные этапы (а – в) преобразования формы соседних зерен

в режиме процессов скольжения и диффузионной подстройки соседних зерен

Рисунок 12 - последовательные этапы (I – V) изменения взаимного расположения зерен

с участием в процессе межзеренной граничной пористости

Пороговая ползучесть кристаллических тел связана с проявлением механизмов, действующих при напряжениях, превосходящих значение а', которое надо приложить для преодоления препятствий, сдерживающих движение дислокаций. Торможение дислокаций может быть связано с их взаимодействием друг с другом или обусловлено различными локализованными дефектами (стопорами), расположенными в плоскости движения дислокации. К таким дефектам относят точечные дефекты и их скопления, выделения посторонней фазы (например, оксидов на поверхности частиц), дислокации в других системах скольжения, пересекающих плоскость, в которой движется рассматриваемая дислокация. Сами стопоры могут обладать различной степенью подвижности, в том числе быть и неподвижными.

На ползучесть кристаллических тел при спекании существенное влияние оказывает дефектность их структуры. Известно, что деформация порошкового тела обнаруживается уже в процессе его нагрева до температуры изотермического режима. Ее называют неустановившейся ползучестью (когда скорость процесса убывает со временем) и она может быть значительной, если в исходном состоянии структура порошкового тела существенно искажена и его нагрев осуществляют под нагрузкой. В изотермических условиях спекания установившемуся (стационарному) режиму ползучести также предшествует этап неустановившейся ползучести, отличный от указанного для режима нагрева. Ползучесть, происходящая при нагреве порошкового тела, зависит от режима нагрева, который влияет также на кинетику ползучести в наступившем изотермическом режиме.

Процессы, происходящие при неустановившейся ползучести в изотермическом режиме, обычно связывают с «залечиванием» неравновесных дефектов кристаллической решетки, имея в виду не только дефекты, локализованные в ее объеме, но и различные неровности (искривления) поверхностей, ограничивающих элементы структуры порошкового тела. Отметим, что в объектах, нагрев которых не сопровождается изменением состояния их кристаллической решетки («равновесные» структуры), режим нагрева не влияет на кинетику ползучести в изотермическом режиме.

В процессе изотермического спекания текучесть вещества не остается постоянной и с увеличением длительности нагрева уменьшается, что связано с восстановлением искажений кристаллической решетки. Поэтому повышенная текучесть порошкового тела в начале спекания обусловливается большей концентрацией в нем дефектов, исправление которых резко ускоряет диффузию, постепенно уменьшающуюся во времени.

Считается установленным, что уплотнение нагреваемого порошкового тела происходит в результате как диффузионно-вязкого течения (диффузионной ползучести), так и обычных процессов объемной диффузии.