Введение к работе
Актуальность темы. Развитие современной техники предъявляет все более высокие требования к используемым материалам и созданию новых материалов с особыми заданными свойствами.
Свойства материалов во многом определяются не только химическим составом, но и структурой, в том числе границами зерен. Они оказывают существенное, а в некоторых случаях и определяющее влияние на многие свойства материалов: механические, физико-химические, магнитные, релаксационные. Широко известно, что в современных ультрамелкозернистых и наноструктурных материалах значительная часть вещества содержится именно на границах зерен, что влечет за собой резкое изменение свойств этих материалов. Поведение границ в поликристаллических материалах, особенно в нагруженном состоянии, определяет большинство его свойств.
Процесс миграции границ зерен лежит в основе одного из важнейших технологических процессов – рекристаллизации. Данное явление можно рассматривать как главный фактор, позволяющий получить вещества с заданными свойствами. В этом случае необходимо знать физические механизмы процесса миграции для управления процессом рекристаллизации и прогнозирования свойств получаемых материалов. Кроме того, во многих случаях явление рекристаллизации является нежелательным, например укрупнение мелкого зерна с течением времени. Знание механизмов зернограничной миграции позволяет предложить методики стабилизации структуры и торможения процессов укрупнения зерна.
В настоящее время принято деление межзеренных границ на малоугловые и большеугловые границы. В последних также выделяют класс специальных границ, в которых образуются определенные повторяющиеся атомные структуры. Атомные механизмы миграции специальных границ зерен в поликристаллическом материале в настоящее время можно считать достаточно хорошо разработанными, чего нельзя утверждать относительно границ общего типа. Согласно общепринятым оценкам, относительная доля специальных границ в нетекстурированном поликристалле невелика. Эта доля может быть еще меньше в материале, находящемся в неравновесном состоянии в процессе его пластической деформации.
В связи с этим изучение механизмов миграции границ зерен общего типа, а также физических свойств этих границ представляет актуальную задачу физического материаловедения.
Работа выполнена в рамках госбюджетных НИР филиала ГОУ ВПО «Московский энергетический институт (технический университет)» в городе Волжском: МиМ–1–Б–05 «Релаксационные явления на межкристаллитных границах общего типа в поликристаллических материалах»; МиМ–2–Б–08 «Атомные механизмы миграции границ зерен общего типа в металлах».
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка модели миграции границ зерен общего типа в поликристаллах на основе понятия о границах, образующих несоразмерные структуры.
Для достижения указанной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
ввести способ описания атомной структуры несоразмерной межзеренной границы, образованной сопряжением двух некристаллографических плоскостей;
разработать физическую модель, описывающую кинетику миграции границ зерен общего типа;
выявить зависимость скорости миграции межзеренной границы от величины термодинамических движущих сил и структуры границы;
выяснить степень влияния величины движущих сил миграции на диффузионную ширину межзеренной границы и концентрацию вакансий в ней.
Научная новизна работы. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
разработана модель миграции несоразмерной межзеренной границы общего типа;
исследовано влияние различных характеристик границы, таких как параметры разориентировки сопрягающихся кристаллов, величина избыточного свободного объема, а также величины термодинамических движущих сил и температуры на реализацию конкретного механизма, определяющего процесс миграции границы;
для несоразмерных границ впервые получена зависимость миграционной подвижности от геометрической размерности параметра несовпадения;
аналитически обосновано изменение функциональной зависимости скорости миграции от величины движущих сил;
предложен механизм, объясняющий возрастание избыточного свободного объема в мигрирующей межзеренной границе и связанное с этим возрастание зернограничной самодиффузии.
Практическая значимость работы. Полученные в работе результаты носят фундаментальный характер и служат дальнейшему развитию физических представлений об атомном строении и свойствах границ зерен общего типа.
Достигнутый уровень понимания механизмов миграции межзеренных границ общего типа является основой прогнозирования поведения материалов.
Положения, выносимые на защиту.
1. Описание энергетического состояния атомов в большеугловой неспециальной границе осуществлятся при помощи их геометрического параметра несоответствия, распределение атомов по которому является равномерным. Выявлены основные типы процессов перестройки структуры границы, ответственные за ее миграцию.
2. Механизмы миграции границ наклона и произвольного типа включают процессы атомной релаксации под действием движущей силы. Такая релаксация осуществляется переходом граничных атомов от одного кристаллита к другому посредством одиночных прыжков, либо их движением вдоль границы на далекие расстояния диффузионным путем. Эти основные процессы имеют разную энергию активации, определяемую параметром несоответствия.
3. Зависимость скорости миграции границы от величины движущей силы имеет нелинейный характер при малой величине последней. По мере возрастания силы эта зависимость имеет степенной характер с различными показателями и при дальнейшем увеличении принимает линейный вид. При большом значении движущей силы происходит смена крутизны наклона линейной зависимости скорости миграции от этой силы. Получены соответствующие аналитические выражения, вид которых определяется как уровнем действующих сил, так и процессами структурной релаксации, проходящими в границе.
4. Избыточный свободный объем в области границы возрастает с увеличением скорости ее движения. Зависимость величины свободного объема от скорости миграции границы имеет степенной характер. Коэффициент зернограничной самодиффузии мигрирующей границы и ее диффузионная ширина имеют большую величину по сравнению с покоящейся границей.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: IV Международной школе-конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов, 2007); XXVII Российской школе «Наука и технологии» (Миасс, 2007); XIII Межвузовской научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Технологические процессы в машиностроении, химии, строительстве, энергетике и их влияние на экологию и природопользование» (Волжский, 2007); Международной научной школе-конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» (Барнаул, 2007); XI Международной конференции «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (Тула, 2007); II Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2007); 7 научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава ВПИ (филиал) ВолгГТУ (Волжский, 2008); XXVIII Российской школе «Наука и технологии» (Миасс, 2008); XLVII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Нижний Новгород, 2008); открытой школе-конференции стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы» (Уфа, 2008); 8 научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава ВПИ (филиал) ВолгГТУ (Волжский, 2009); III Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2009); межрегиональной научно-практической конференции «Моделирование и создание объектов энергоресурсосберегающих технологий» (Волжский, 2009); V Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2009); XVI Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Волгоград, 2010); XXII Международной научной конференции «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, 2010г.).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 научная работа, в том числе 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
В работах [1–11, 13–21], опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, соискателю принадлежат: постановка задачи исследования и получение основных результатов, а также проведение оценки численных значений полученных величин, разработка прикладных программ и произведение расчета вероятностей расположения и формы локальных атомных конфигураций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 158 наименований, пяти приложений. Основная часть работы изложена на 114 страницах, содержит 31 рисунок и 1 таблицу.
