ЛЕКЦИЯ №2

План лекции

1. Диффузия – структурно-чувcтвительное свойство.

2. Дефекты структуры твердых тел:

а) вакансии

б) дислокации

в) границы зерен

г) границы кристаллов (внешней поверхности).

3. Диффузия через поверхность раздела. Понятие о когерентных, полукогерентных и некогерентных поверхностях раздела КМ.

4. Типы связи на поверхности раздела:

а) механическая связь;

б) связь путем смачивания и растворения;

в) окисная связь;

г) реакционная связь;

д) обменно-реакционная связь;

е) смешанная связь.

Основным процессом, определяющим все элементы микроструктуры, является активная матрица атомов как внутри твердых фаз, так и на поверхности раздела кристаллов, то есть диффузия. Диффузия является структурно-чувчтвительным свойством. Это означает, что скорость перемещения атомов в кристалле существенно зависит от его структуры, характера расположения атомов. Атомы движутся по-разному в зависимости от того, насколько структура кристалла отличается от идеальной. Важным примеров нарушения однотипности узлов кристаллической решетки являются вакансии. Они играют главную роль в процессах перемены мест, которые происходят в кристалле. Однако наряду с вакансиями в кристалле имеются дефекты другой мерности-дислокации, границы зерен, внешняя поверхность и т.д. Интуитивно ясно, что разупорядоченность должна облегчать перемещение, следовательно ускорять диффузию. В большинстве случаев так и происходит. Следует, правда помнить, что вакансии в отличие от всех остальных являются равновесными дефектами, то есть когда канцентрация вакансий равна термодинамически равновесной, свободная энергия кристалла (как функция концентрации вакансий) минимальна. Большая часть других дефектов такой особенностью не обладает, т.е. их присутствие не повышает свободную энергию кристалла. Все неравновесные дефекты по этой причине «мигрируют к выходу». Разумеется, для того, чтобы этот процесс осуществлялся с заметной скоростью, необходимы условия: достаточные движущие силы и достаточная подвижность самих дефектов. Итак, на процесс диффузии влияют следующие дефекты: нуль-мерные – иэбыточные вакансии, одномерные – дислокации, двумерные – границы зерен и трехмерные – внешние поверхности кристалла.

Механизм диффузии в кристаллических твердых телах хорошо изучен, накоплены обширные данные о скорости диффузии растворенных компонентов. Полностью понятна и диффузия по границам зерен.

Вопрос о миграции или поведении поверхности, разделяющей две твердые фазы (межфазная поверхность) изучен значительно хуже. Миграция атомов, находящихся у поверхности раздела, может происходить либо непосредственно по этой поверхности, либо через неё, вызывая её перемещение в противоположном направлении. В обоих случаях имеет место нескоординированное (неупорядоченное) перемещение атомов. Имеется гипотеза, согласно которой когерентные или полукогерентные поверхности раздела могут тормозить быстрое прохождение атомов. В связи с этим уместно вспомнить, какие сопряжения считаются когерентными.

Говорят о когерентности, если атомы на границе принадлежат обеим решёткам сопрягающихся фаз.

Полукогерентные и некогерентные поверхности раздела характеризуются убыванием числа атомов, одновременно принадлежащим обеим решёткам.

Когерентное (а), некогерентное (б) и полукогерентное (в) сопряжения на поверхности раздела компонентов композита.

Хорошее соответствие кристаллических решеток объясняет низкую энергию когерентной поверхности раздела, что может затруднять прохождение атомов через эту поверхность. Если эта гипотеза справедлива, то затруднены те фазовые превращения, необходимым условием которых является смещение границ раздела и скорость реакции в этом случае контролируется поведением поверхности раздела, а не параметрами диффузии. Этот вывод лишний раз подтверждает справедливость разделения КМ на три основные класса в соответствии с различием поверхности раздела. Однако из этой общей классификации исключены физико-химический и механический аспекты связи. Поэтому остановимся на основных типах связи на поверхности раздела.

Типы связи на поверхности раздела

Можно выделить шесть основных типов связи на поверхности раздела:

1. Механическая связь.

2. Связь путем смачивания и растворения.

3. Окисная связь.

4. Реакционная связь.

5. Обменно-реакционная связь.

6. Смешанная связь.

Условные обозначения на рисунках:

М – матрица;

A, B - элементы матрицы (A как правило основной металл, B- легирующий элемент);

F – волокно, состоящее из простого вещества;

FO_x - волокно, состоящее из сложного вещества, например, Al₂O₃.

Механическая связь реализуется в отсутствии какого-либо механизма – даже сил Ван-дер-Ваальса (взаимодействие между молекулярными диполями очень слабое) и сводится к механическому сцеплению, т.е. предполагается отсутствие всяких источников химического взаимодействия.

Она может возникать при механическом сцеплении (например, в случае борных волокон со структурой кукурузного початка или из- за трения, вызванного стеснением матрицы). Однако, отсутствие химической связи существенно снижает прочность композита при поперечном нагружении и продольном сжатии, поэтому она не считается полезной.

Связь путем смачивания и растворения реализуется благодаря силам поверхностного натяжения и имеет место в композитах, где упрочнитель смачивается матрицей и, возможно, растворяется матрицей. Для обеспечения смачивания краевой угол должен составлять менее 90⁰. Эта величина угла характерна и для растворения. Данный тип связи наблюдается у КМ 1-го класса.

Для образования связи путем смачивания и растворения необходимо очистить от адсорбированных газов и загрязнений поверхности компонентов перед их соприкосновением.

Реакционная связь возникает в том случае, когда на границе раздела в результате реакции образуется новое химическое соединение, например TiC на границе между углеродом и титаном.

Обменно-реакционная связь возникает в том случае, когда легирующие элементы матрицы и упрочнителя обмениваются местами с элементами, входящими в состав продуктов реакции. Таким образом, это особый случай реакционной связи, когда могут происходить несколько реакций. Например, реакция между титано-алюминиевым твёрдым раствором и бором можно представить как двухстадийную:

Ti(Al) + B = (Ti,Al)B₂

Ti + (Ti,Al)B₂ = TiB₂ + Ti(Al)м

Вначале твёрдый раствор алюминия в титане реагирует с бором с образованием сложного диборида, который затем реагирует с титаном, образуя диборид титана TiB₂ и твердый раствор алюминия в титане. Следовательно, идёт образование и второй фазы, и твёрдого раствора.

Окисная связь характерна для металлов, армированных волокнами из оксидов. Например, в присутствии следов кислорода в системе никель – окись алюминия связь превращается в реакционную за счёт образования шпинели NiOAl₂O₃. Другим примером может служить связь между алюминием и бором, на поверхности которых присутствуют окисные плёнки. В результате растворения обоих окислов или взаимодействия между ними на поверхности раздела образуется продукт реакции в виде окисной плёнки (нового состава). Последняя и обеспечивает связь в этой системе, относящейся к псевдопервому классу.

Смешанная связь. Этот тип связи наиболее важен, так как одним из его источников является переход от одного типа связи к другому, например, частичный переход систем псевдопервого класса в системы второго и третьего классов. Проиллюстрировать это можно на системе Al – B, изготовленной диффузионной сваркой. Происходит частичное разрушение исходной связи в системе Al – B (по-видимому, это окисная связь между Al₂O₃ и B₂O₃) с последующим образованиемAlB₂.

Дата добавления: 2014-01-03