Миграция межзеренных границ

На всех стадиях рекристаллизации зерна растут за счет соседних: деформированных — при первичной рекристаллизации, рекристаллизованных — при собирательной и вторичной.

Механизм миграции — тасовка (перегруппировка атомов в границе и в прилегающей к ней области соседнего зерна, ширина которой примерно такая же, как у границы)^[1]. В случае регулярных i-раниц I > 3 перестройка ячейки решетки совпадающих узлов (РСУ) происходит при одновременном смещении в разные стороны (суммарный сдвиг равен нулю). В результате такой перестройки граница смещается сразу на одну ячейку РСУ (рис. 3.8). Возможность такого согласования тепловых колебаний была теоретически показана для 1раницы кручения Х5 в меди и границы наклона Х7 в а-титане. Чем больше число атомов в ячейке РСУ, тем меньше вероятность тепловой флуктуации, требующейся для одновременного смещения атомов.

Рис. 3.8. Смещения атомов в двух ячейках решетки совпадений, в результате которых одна переходит в границу, а другая — в зерно (внутри ячейки атомы соседних кристаллов неразличимы).

Скорость (подвижность, энергия активации) миграции зависит от типа фаниц. Так, нерегулярная граница^[2] X > 30 в алюминии при (0,72…0,83)^ мифирует на 2…3 порядка медленнее регулярных с малой величиной X. При неизменной движущей силе скорость мшрации фаницы наклона [111] ?7 (самая подвижная граница в алюминии) при нафеве от 0,68 до 0,81 Т"_л возрастала на два порядка. Но при отклонении на 3 от этой ориентировки разница была на порядок меньше. Экспериментально определенные энергии активации довольно часто различаются, поскольку в интервале температур измерения может измениться структура границы или способ ее взаимодействия с примесью (миграция фаницы с атмосферой или отрыв от нее).

Стабильность структуры при отжиге определяется балансом между движущими и тормозящими силами. Граница зерна мигрирует, если при ее движении уменьшается свободная энергия, а, следовательно, на нее действует результирующая сила F = и движущие силы больше тормозящих.

Скорость границы.

где т — подвижность границы, зависящая от ее структуры и описываемая соотношением.

где Е — энергия активации миграции границы. Скорость миграции границы при первичной рекристаллизации в алюминии при 400 С составляет 5−10 ³ мм/с, в у-жслсзе при 700 С — 10 ² мм/с.

В табл. 3.1 приведены величины движущих сил рекристаллизации.

Таблица 3.1

Величины движущих сил различных стадий рекристаллизации.

Максимальный вклад в движущую силу дает аннигиляция дислокаций, значительно превышающая уменьшение зернограничной энергии. В процессе рекристаллизации скалярная плотность дислокаций уменьшается от р в деформированном зерне до р' в рскристаллизованном и.

Поскольку при отжиге плотность дислокаций уменьшается на шесть порядков, величиной р' можно пренебречь:

Величина F порядка 10⁴ Н/см².

Уменьшение суммарной плотности границ порождает движущие силы F₂ и F₃, которые и определяют скорость миграции границ на следующих стадиях. Мигрирующая граница рекристаллизованного зерна «выметает» решеточные дислокации из пройденного объема (рис. 3.9). Механизм уменьшения их плотности — аннигиляция дислокаций разного знака в движущейся границе.

Рис. 3.9. Схема, иллюстрирующая уменьшение плотности решеточных дислокаций при миграции границы рекристаллизованного зерна.

Высокая эффективность этого процесса обусловлена не только и не столько тем, что решеточные дислокации, поглощенные границей (внесенные ЗГД), находятся ближе друг к другу, чем в объеме зерна. В отличие от аннигиляции в объеме зерна, аннигиляция в границе нелокальная, т. е. происходит на значительно большем расстоянии^[3]. Следует напомнить, что граница зерна — двумерный дефект, и длина ЗГД, естественно, не ограничивается шириной границы (несколькими периодами решетки). На границе ядра дислокаций растекаются. Этот процесс можно рассматривать и как расщепление вошедших в границу дислокаций на большое число ЗГД с близкими к нулю векторами Бюргерса. Свидетельством возможности нелокальной аннигиляции дислокаций в границе является экспериментально установленная связь растекания видимых в электронный микроскоп зернограничных дислокаций с началом рекристаллизации.

• [1] Следует заметить, что при описании миграции границ часто используютсялишенные смысла выражения: «переход атомов через границу», «перескокотдельных атомов через границу», «перескок через поверхность раздела"и т. п.
• [2] Регулярными считаются границы с!< 20…25.
• [3] Русаков Г. М. Кинетика делокализации ядра решеточных дислокацийна нерегулярных границах // Труды школы-семинара «Фазовые и структурные превращения в сталях». — 2006. — Вып. 4. — Т. 1. — С. 260−293.