Механизм аномально быстрого диффузионного массопереноса в пластически деформируемых наноструктурах металлов и сплавов

УДК 539.3

МЕХАНИЗМ АНОМАЛЬНО БЫСТРОГО ДИФФУЗИОННОГО МАССОПЕРЕНОСА В ПЛАСТИЧЕСКИ ДЕФОРМИРУЕМЫХ НАНОСТРУКТУРАХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

© Л.С. Васильев, И.Л. Ломаев

Физико-технический институт УрО РАН, г. Ижевск, Россия, e-mail: uds@pti.udm.ru

Ключевые слова: структурно-фазовые превращения; наноструктура, металлы и сплавы; пластическая деформация; аномальная диффузия.

Показано, что при интенсивной пластической деформации аномально быстрый диффузионный массоперенос в на-ноструктурированных металлах определяется аномально высокой концентрацией неравновесных вакансий, генерируемых в процессах рекристаллизации.

Экспериментальные исследования процессов механосплавления и массопереноса в пластически деформируемых наноструктурах металлических систем указывают на процессы образования сильно пересыщенных твердых растворов замещения и аномально высокую скорость диффузии. Эти явления нельзя объяснить одними только структурными особенностями вещества, находящегося в нанокристаллическом состоянии. Известно, что пластическое деформирование может привести к значительным отклонениям механических систем от состояния равновесия. Для таких неравновесных состояний характерно высокое пересыщение металлов вакансиями и междоузельными атомам, содержание которых оказывает значительное влияние на процессы диффузионного массопереноса. В связи с этим внимание многих исследователей было направлено на изучение источников неравновесных точечных дефектов в пластически деформируемых наноструктурах металлов и сплавов. В настоящее время существует ряд предположений о природе источников неравновесных вакансий и междоузельных атомов в нанокристаллических структурах. По аналогии с явлениями, наблюдаемыми в крупнокристаллических металлах, считается, что источниками неравновесных точечных дефектов могут служить ступеньки на движущихся винтовых дислокациях, дисклинации, локализованные на стыках поликристаллов, процессы аннигиляции и переползания краевых дислокации и процессы миграции межкри-сталлитных границ.

Специфика нанокристаллических материалов состоит в том, что первые три из перечисленных источников при малых размерах кристаллитов становятся неэффективными. Действительно, плотность дислокаций в наноструктурах металлов очень низкая и несравнима с плотностью размещения межкристаллитных границ. Дисклинации в наноструктурах должны легко разрушаться под действием хорошо развитого диффузионного массопереноса по границам и стыкам зерен, поэтому плотность дисклинаций также должна быть значительно меньше плотности межкристаллитных границ общего типа.

Отсюда следует, что наиболее эффективным источником неравновесных точечных дефектов в наноструктурах должны быть процессы миграции межкристал-литных границ.

Таким образом, цель работы состоит в исследовании кинетики структурных превращений, вызванных миграцией межкристаллитных границ, в описании процессов генерации и перераспределения точечных дефектов и анализе процессов диффузионного массопе-реноса в деформируемых наноструктурах металлов и сплавов.

Для иллюстрации используемых физических принципов удобно рассмотреть модель, в которой нанокри-сталлический материал представлен в виде плотноупа-кованных плоских слоев, имеющих толщину Ь < 100 нм. Относительная кристаллографическая ориентация соседних зерен фиксируется на некотором среднем для данной решетки значении. Под действием механических напряжений ст миграция межкристаллитных границ и диффузионный массоперенос будут осуществляться в направлении, перпендикулярном плоскости пластин. Из анализа термодинамических стимулов, контролирующих процессы рекристаллизации нанозерен, следует, что при миграции межкристаллитные границы могут либо генерировать, либо поглощать неравновесные вакансии. В принятой модели межкри-сталлитные границы, генерирующие и поглощающие неравновесные вакансии, будут периодически чередоваться. Вклад межузельных атомов в процесс рекристаллизации пренебрежимо мал.

На рис. 1, 2 приведены графики распределения концентрации неравновесных вакансий в нанострукту-рированных порошках а-Ее при механосплавлении в шаровой планетарной мельнице. Для расчетов были приняты следующие численные значения параметров процесса деформирования: Т = 700 К - температура в очаге деформации, а = 1 ГПа - напряжение пластического течения наноструктурированного железа. Оба графика даны в системе координат, движущейся со скоростью межкристаллитных границ, поглощающих вакансии. Координаты этих границ находятся в точках

Cvac^ 102

9

2

1.5 1

n ^

0.5 .

2 - 1 fl ^

Y

Рис. 1. Распределение вакансий в наноструктуре с L=100 нм

Cvac^ 102

Y

Рис. 2. Распределение вакансий в наноструктуре с L=5 нм

у = ±Ь. Межкристаллитные границы, излучающие неравновесные вакансии, находятся в точках, соответствующих максимуму на кривой распределения концентрации. Из графиков видно, что в крупнозернистой наноструктуре (L = 100 нм) практически все неравновесные вакансии сосредоточены вблизи излучающих

межкристаллитных границ, а в мелкозернистой наноструктуре (Ь =5 нм) неравновесные вакансии распределены практически по всему объему материала. В обоих случаях максимальная величина концентрация вакансий может достигать аномально больших значений:

с и 10-2 .

Коэффициент диффузии атомов примеси замещения определяется по формуле

т ' где ит и Бт 0 - постоянные

Dm = Dm,0c expl

kT

величины. Отсюда следует, что в наноструктурах, имеющих достаточно крупный размер зерна L и 100 нм, аномально быстрый диффузионный мас-соперенос полностью сосредоточен вблизи межкри-сталлитных границ. При L = 5 нм процесс аномальной диффузии распространяется на весь объем металла.

ВЫВОДЫ

1. Процессы миграции межкристаллитных границ при пластическом деформировании наноструктуриро-ванных металлов и сплавов могут приводить к резкому повышению концентрации неравновесных вакансий.

2. В деформируемых наноструктурах металлов при размерах кристаллитов L <10 нм аномально быстрый диффузионный массоперенос носит объемный характер. При L >> 10 нм массоперенос переходит в режим зернограничной диффузии.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 10-03-00077.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Vasilyev L.S., Lomayev I.L. The mechanism of anomalously fast diffusion mass transfer in plastically deformed nanostructures of metals and alloys.

It is shown that anomalously fast the diffusion mass transfer in the nanostructures of the metals is determined by abnormally high concentration of the nonequilibrium vacancies generated in the process of the recrystallization under severe plastic deformation.

Key words: structural phase transformations; nanostructure; metals and alloys; plastic deformation; the anomalous diffusion.