Восходящая диффузия

В реальных твердых растворах, сложных по составу, диффузионный поток определяется, прежде всего, химическим потенциалом, который, в свою очередь, зависит от термодинамической активности элемента. Термодинамическая активность элемента а – определенная энергия связи между всеми атомами раствора, т.е. она определяет возможность диффузионного перемещения атома, выделенного из твердого раствора, образования химических соединений.

Уравнение Фика будет записываться по-другому:

- градиент химического потенциала

- истинный коэффициент

D_i = D[V^-1(da/dx)]^-1

a_i = γ_iN_i

В этом случае поток будет направлен не в сторону меньшей концентрации, а в сторону меньшего химического потенциала, т.е. наблюдается восходящая диффузия.

В сталях многие фазовые превращения определяются химической активностью углерода. Все элементы, которые не образуют карбидов в стали, имеют меньшее сродство к углероду, чем железо, повышают а. Элементы, которые имеют большее сродство, понижают а.

Изменение свойств при диффузионном отжиге

Основной целью диффузионного отжига есть повышение пластичности, ударной вязкости и усталостной прочности. Так как эти характеристики получают максимум после растворения неравновесных фаз, то на этом отжиг заканчивается.

Для фасонного литья диффузионный отжиг необходим для стабилизации свойств во времени и повышения коррозионной стойкости.

Диффузионный отжиг – операция дорогая, поэтому его проводят, если он действительно необходим. Он связан с большими потерями металла. Проводят только для высоколегированных сталей.

Рекристаллизационный отжиг Дорекристаллизационный отжиг

Рекристаллизационный и дорекристаллизационный отжиги применяют только к металлам и сплавам после холодной пластической деформации. В результате пластической деформации металл претерпевает различные изменения:

1. Измельчаются и меняют форму зерна, что может привести к волокнистой структуре и изотропии свойств.

2. Появляется преимущественная ориентация зерен в направлении деформирования. Это приводит к проявлению текстуры деформации и еще большей анизотропии свойств.

3. Изменения в кристаллическом строении зерен. Повышается плотность точечных и линейных дефектов решетки. В результате этого решетка искривляется, повышаются упругие напряжения, изменяются свойства материала. Повышаются прочностные характеристики и, прежде всего, предел прочности , предел текучести . Падают пластические характеристики: относительное удлинение δ, относительное сужение ψ. Изменяются физические характеристики: падает электропроводность, магнитная проницаемость, ухудшается коррозионная стойкость, изменяется плотность материала. Такое состояние материала называется наклеп. После пластической деформации плотность дислокаций в решетке сильно возросла. Для отожженного материала плотность дислокаций , для наклепанного материала - .

После снятия напряжений в наклепанном материале остается большая доля избыточной энергии. Решетка такого металла нестабильна. Металл стремится самопроизвольно к более равновесному состоянию.

Для того, чтобы ускорить процессы, приводящие к более равновесному состоянию металла, его нагревают. При этом ускоряется передвижение атомов и дефектов. Процессы, происходящие при нагреве, в зависимости от температуры разделяют на возврат и рекристаллизацию.

Возврат протекает при относительно невысоких температурах . При таких температурах диффузия атомов еще невелика и происходит диффузия дефектов. Возврат протекает в 2 стадии: отдых и полигонизация.

Отдых протекает в любом случае, микроструктурно процессы отдыха не наблюдаются. Во время отдыха происходит уменьшение концентрации точечных дефектов. Межузловые атомы аннигилируют вакансии или достраивают край экстраплоскости. Вакансии стекают к границам зерен и субзерен, к линейным дислокациям и аннигилируют. Дислокации при данной температуре мало подвижны, в своей плоскости скольжения не находят экстраплоскости своего знака.

В результате присоединения к краю экстраплоскости межузловых атомов и вакансий, дислокация может поменять плоскость. В новой плоскости она может встретить дислокацию противоположного знака и аннигилировать.

После уничтожения точечных и частично линейных дефектов напряжение в решетке падает, свойства в таком металле могут несколько возвратиться (не более чем на 30%). При повышении температуры или продолжении выдержки может наступить вторая стадия – полигонизация. Для этого требуются определенные условия: чистый металл, степень деформации не может быть большой. При большой степени деформации полигонизация подавляется рекристаллизация. При полигонизации дислокации одного знака образуют стенку вдоль одного зерна, образуя полигоны, практически очищенные от дислокаций в их пределах.

Такое выстраивание стенки возможно благодаря «переползанию» дислокаций, т.е. присоединения или отвода атомов от ядра к краю дислокации.

Полигонизация – один из самых медленных процессов.

Развитая полигонизация может в значительной степени возвратить свойства к исходным. Полигонизация – очень стабильная структура, иногда блокирует дальнейшую рекристаллизацию.