Рентгенографический метод излучения диффузионных процессов и напряжений в твердых телах

, (4.29)

откуда

, (4.30)

где – относительная концентрация на поверхности образца; V1 и V2 – атомные объемы диффундирующего вещества и растворителя соответственно. Множитель может стать существенным, когда размеры атомов компонентов значительно отличаются друг от друга [11].

Для определения поверхностной концентрации диффундирующего вещества применяется рентгеносъемка на «отражение». Очень удобной и точной является методика с использованием стандартной рентгеновской камеры РКЭ, в которой предусмотрена возможность рентгеносъемки при больших, чем в стандартных дифрактометрах, углах отражения и расстояниях образец-пленка. Полностью данная методика описана в работах [11,24]. Измерив по микрофотометрическим кривым рентгенограмм сдвиг дифракционной линии Δl, рассчитывается концентрация диффундирующего вещества C1 на поверхности образца по формуле:

, (4.31)

где a0 – параметр решетки растворителя; θ – угла отражения Вульфа-Брэгга,  b – постоянная Вегарда, g – расстояние образец-пленка, Dl – смещение рентгеновской линии на рентгенограмме.

Типичная фотография рентгенограмм образцов представлена на рис.2.3

Рис. 2.3 – Рентгенограммы образцов: 1 – чистое Fe, 2 – Fe со стороны диффузионного слоя Fe – Al

 

В общем случае точность результатов, получаемых описанной методикой, определяется следующими факторами:

1) точность тем выше, чем  более различаются размеры атомов  компонентов, так как при этом  происходят большие изменения  параметра решетки при растворении  диффундирующего вещества;

2) точность повышается  с приближением угла отражения θ к 90°, так как при этом получается большее смещение дифракционной линии при одном и том же изменении параметра решетки;

3) точность можно повысить  оптимальным выбором длины волны  рентгеновского излучения, так как  с увеличением этой длины усиливается поглощение в образце и уменьшается толщина поверхностного слоя, участвующего в отражении рентгеновских лучей.

 

ГЛАВА

ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

 

Внешние воздействия к которым можно отнести магнитное поле (МП) заметно влияют на диффузионную подвижность атомов. Изучение влияние МП на диффузию дает информацию фундаментального характера о магнитных свойствах диффундирующих атомов, поведении дефектов и их взаимодействие в МП, что является важным для физики твердого тела и физики прочности, поскольку кинетика взаимодействия дефектов между собой во многом определяет свойства твердых тел.

 

5.1 Влияние импульсного  магнитного поля на диффузионные  процессы 

 

В импульсных МП возникает движение доменных границ (ДГ) и связанное с ним дополнительное динамическое взаимодействие с примесными атомами, дислокациями и другими дефектами Знание экспериментальных и теоретических закономерностей движения ДГ и их взаимодействия с другими дефектами имеет существенное значение при изучении процессов перемагничивания, особенно при высоких температурах, когда активировано атомное движение частиц Наличие в ферромагнетиках ДГ, имеющих высокую подвижность в импульсных МП и их активное взаимодействие со структурными дефектами создает новые возможности для практического использования ферромагнетиков Особенно актуально исследование динамики ДГ в связи с необходимостью создания современных радиоэлектронных устройств, работающих в условиях повышенного тепловыделения [4]

Все вышесказанное определяет актуальность постановки задач исследования диффузионных процессов в ферромагнитных материалах, когда в рассмотрение включаются их структурные имагнитные дефекты, изучения закономерностей гетеродиффузии в них под влиянием импульсного МП, развитие теоретических модельных представлений об этом процессе Разработке этих вопросов и посвящена представленная диссертационная работа

Основная решаемая научная проблема, имеющая фундаментальный характер - установление эффекта и механизмов влияния внешнего импульсного МП на процесс примесной диффузии атомов А1 в решетке Bе.

 

5.2 Влияние переменного  магнитного поля на диффузионные  процессы

 

Проблема влияния переменного и импульного МП на само- и гетеродиффузию, а также процессы, в основе которых лежит перераспределение атомов, в частности, спекание, является наименее изученной. Характер влияния внешнего переменного МП на диффузионный процесс может определяться магнитными свойствами диффундирующих примесных атомов, а также, как показывают опыты в постоянных МП [11], магнитными свойствами самой матрицы диффузии.

Поскольку тема данной работы связана с изучением диффузии в переменных и импульсных МП, рассмотрим имеющиеся экспериментальные данные по вопросам диффузионной подвижности примесных атомов преимущественно в твердой фазе под действием МП.

Рассмотрим работы, в которых показана возможность интенсифицирования процессов массопереноса в аморфных и кристаллических веществах путем воздействия на них внешнего переменного МП. Физическая природа влияния любого силового поля на процессы диффузионного перераспределения атомов в кристаллической решетке твердого тела определяется характером его взаимодействия с элементарными носителями массы, в частности, (для твердофазного спекания) с дислокациями и атомами, движущимися в поле капиллярных напряжений [11], и, следовательно, именно их взаимодействие с внешним МП определят природу активирующего влияния поля на этот процесс.

Перенос вещества при твердофазном спекании может быть существенно интенсифицирован в условиях действия сил электромагнитного происхождения [20,21]. Различные аспекты влияния электрического поля на процесс спекания кристаллических порошков разных материалов обсуждаются в работах [22,23]. Физическая природа влияния конкретного силового поля на процессы массообмена и массопереноса определяется характером его взаимодействия с элементарными носителями массы. Применительно к процессу спекания кристаллических частиц, основными носителями массы являются дислокации и атомы, движущиеся в поле капиллярных сил, и, следовательно, именно их взаимодействие с внешним полем определяет природу влияния поля на этот процесс [24].

Теоретическое рассмотрение влияния неоднородного МП на диффузию в твердом теле, частиц обладающих магнитным моментом, проведено в работе [25]. Для анализа роли диффузионных (термически активируемых) и магнитно-дрейфовых перемещений в общем переносе вещества атомов автором был установлен критерий, до некоторой степени напоминающий диффузионный критерий Пекле и выражающийся отношением перепада магнитной энергии движущейся частицы к ее кинетической энергии. Автором [25] было показано, что с увеличением значения данного критерия все большую роль в массопереносе в неоднородном магнитном и концентрационных полях играет МП.

Экспериментальное влияние переменного МП на контролируемое диффузией спекание ферромагнитных частиц было установлено в работе [26]. Автором выявлен только эффект ускорения процесса спекания по сравнению с изотермическим отжигом, но закономерности диффузии и его физическая природа были не изучены. Сообщение о наличии эффекта влияния переменного МП на диффузионные процессы при спекании содержатся в работе [27]. Авторы исследования рассматривают влияние переменного МП на спекание ферромагнитных кристаллических частиц. Для исследования применяли сфероидизированные порошки Fe, средний диаметр которых составлял 10–20 мкм. Опыты заключались в следующем. Образцы размером 2×3×2 мм3, которые имели форму параллелепипеда, получили прессованием при комнатной температуре под давлением 2·108 Па. Готовые прессовки подвергали изотермическому отжигу при температурах 400–900ºС при одновременном действии переменного МП с частотой 1 Гц и напряженностью Н≈0,8–79,6 (0,01–1,0) кА/м (кЭ). Вектор напряженности МП ориентирован вдоль оси симметрии, параллельной наибольшему размеру образца. Для сравнения отжиг аналогичных образцов проводили в идентичных температурных условиях в отсутствии поля. Количественной мерой спекания образцов служила их дилатация, которую измеряли в направление вектора напряженности МП непосредственно в процессе отжига. Результаты отжига свидетельствуют о том, что МП оказывает заметное влияние на процесс спекания исследуемого порошка. Это проявляется как в скорости и величины дилатации прессовок, так и на их прочности. Авторы [27] подчеркивают, что указанный эффект наблюдается лишь в переменном МП и отсутствует при воздействии на образец постоянного МП.

В работе [28] сообщается об изучении движения одной 180-градусной стенки Блоха в монокристалле Si–Fe. Подвижность ДГ обычно определяется решеточными дефектами, такими как дислокации, включения, поры (пустоты) и вакансии. Однако, в магнитомягких материалах другое явление – диффузионное последействие, может стать доминирующим в ограниченных температурных интервалах. Этот эффект связан с диффузией примесных атомов внутри ферромагнитного материала.

Некоторая информация о перераспределении атомов и структурной перестройке металлов в условиях действия переменных МП присутствует и в исследовании процесса разрушения металла при внешнем воздействии. Так, в работе [29] изучено влияние высокочастотных токов (100 Гц–10 кГц, 10–30 МА/см2), приводящих к термоциклированию и ускорению диффузионных процессов, на разрушение модельных образцов и работоспособность процессора персонального компьютера [30,31]. Авторами были детально исследованы изменения в морфологии зернистой структуры и кинетика разрушения проводящей магистрали. Было показано, что морфология повреждений и разрушение при циклической обработке зависит от применяемой частоты тока и амплитуды температур циклического нагрева вследствие прохождения переменного тока, толщины пленки, размера и ориентации зерен, протяженности полосы, взаимодействия материалов на поверхности.

При действии переменного МП низкой частоты также наблюдается ускоренная за счет наложения переменного МП взаимная диффузия и образование промежуточных фаз в двойных металлических системах. В работе [40] исследования проводили на системах Al–Mg и Al–Zn. Толщина полированных пластин Zn и Mg составляла 5 мм, Al – 3 мм. Магниевую и цинковую пластины помещали между алюминиевыми, и приготовленный в указанном порядке композит прокатывали до 2 мм. Из него вырезали образцы обеих диффузионных пар в форме параллелепипеда 10´10´2 мм и отжигали в течение 2, 4 и 8 ч при температурах 350, 385, 420, 430 ºС для Al–Mg образцов и 330, 350, 370 ºС для A–Zn образцов в печи сопротивления. Переменное МП накладывалось на диффузионную пару с помощью 680 витков водоохлаждаемой медной обмотки печи сопротивления. Интенсивность МП достигала 0,5 Тл при постоянной частоте 10 Гц. После отжига диффузионные пары разрезали по нормали к поверхности раздела и полировали для металлографических исследований. Наложение поля приводит к увеличению толщин образующих слоев промежуточной фазы (W) в обеих системах, причем рост диффузионных слоев от времени отжига t с полем и без поля для каждой температуры подчиняется параболическому закону W2 = kt, где k – константа скорости роста, более высокая при действии переменного МП. Температурная зависимость скорости роста всех образующих фаз при взаимодействии Al с Mg и Zn с полем и без поля является аррениусовской. Но при этом имеет место одинаковое значение энергии активации в отличие от движения атомов Al в ферромагнетике под действием постоянного МП. Авторы [40] предположили, что переменное МП влияет на возрастание частоты колебаний атомов, вовлеченных в термически активированный процесс, или активацию энтропии, скорее, чем высоты барьера, так как данное влияние сказывается главным образом на величине предэкспоненциального множителя, а не энергии активации роста слоя, т.е. миграции атомов. Возрастание же энтропии может быть в результате увеличения за счет переменного МП числа степеней свободы в седловой позиции при термически активируемом акте.

Анализ экспериментальных данных показывает, что переменное МП оказывает активирующее действие на процесс спекания, взаимную диффузию и т.д. В то же время в ряде случаев отмечалось наличие ускорения диффузии в жидкой фазе металла при действии переменного МП.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные результаты и краткие выводы

1. В результате выполнения курсовой работы ознакомилась с общими вопросами феноменологического и микроскопического описания диффузии, методами измерение коэффициента гетеродиффузии, влиянием магнитных полей на диффузионный процесс в твердых телах.

2. Собраны  и  систематизированы литературные данные по высокотемпературной  магнитострикции железа и его сплавов, видам релаксации в железе и железных сплавов.

3. Изучена работа Б.Я.Любова  по магнистострикции сплавов  замещения в поле переменных  механических напряжений.

4. Проанализирована применимость модели Б.Я.Любова к анализу гетеродиффузии в ферромагнетике в ИМП с магнитострикционным способом возбуждения механических колебаний в образце.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе выполнен литературный обзор данных по вопросам феноменологического и микроскопического описания диффузии, методам измерения коэффициента гетеродиффузии, влияния магнитных полей на диффузионные процессы в твердых телах. В дальнейшем планируется освоить методики измерений КД и выполнить измерения его зависимостей от частоты ИМП и температуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Манинг, Дж. Кинетика диффузии атомов в кристаллах / Дж. Манинг – М.: Мир, 1971. – 277 с.
2. Миронов, В.М. Массоперенос и фазообразование в металлах при импульсных воздействиях / В.М. Миронов, В.Ф. Мазанко, Д.С. Герцрикен, А.В. Филатов – Самара: изд-во «Самарский университет», 2001. – 323 с.
3. Кайзер, Дж. Статистическая термодинамика неравновесных процессов / Дж. Кайзер. – Пер. с англ. М.: Мир, 1990. – 608 с.
4. Бокштейн, Б.С. Диффузия атомов и ионов в твердых телах / Б.С. Бокштейн, А.Б. Ярославцев.– М.: МИСИС, 2005. – 362 с.
5. Болтакс, Б.И. Диффузия в полупроводниках / Б.И. Болтакс. – М.: Физматлит, 1961. – 464 с.
6. Зайт, В. Диффузия в металлах / В. Зайт. – М.: Издательство иностранной литературы, 1958. – 328 с.
7. Гуров, К.П. Основания кинетической теории / К.П. Гуров. – М.: Наука, 1966. – 351 с.
8. Вонсовский, С.В. Магнетизм / С.В. Вонсовский. – М.: Наука, 1978. – 1032 с.
9. Боровский, И.Б. Процессы взаимной диффузии в сплавах / И.Б. Боровский, К.П. Гуров, И.Д. Марчукова, Ю.Э. Угастэ, под редакцией К.П. Гурова. – М.: Наука, 1973. – 360 с.
10. Мазанко, В.Ф. Диффузионные процессы в металлах под действием магнитных полей и импульсных деформаций / В.Ф. Мазанко, А.В. Покоев, В.М. Миронов и др. – М.: Изд-во «Машиностроение – 1»; Самара: Изд-во «Самарский университет», 2006. Т. I. – 346 с.
11. Таблицы физических величин: Справочник / Под ред. акад. И.К. Кикоина. – М.: Атомиздат, 1976. – 1006 с.
12. Фогельсон, Р.Л. Рентгенографическое исследование объемной диффузии в поликристаллических веществах / Р.Л. Фогельсон, Я.А. Угай, А.В. Покоев, И.А. Акимова // ФТТ. – 1971. – Т. 13. – №4. – С. 1028-1031.
13. Мэзон, У. Физическая акустика. В 7 т. Т. III, Часть А Влияние дефектов на свойства твердых тел. / Под ред. У. Мэзона – Москва: Мир, 1969. – 578 с.
14. Постников В.С. Внутренне трение в металлах. / В.С. Постников– М.: Металлургия, 1969. – 332 с.
15. Zener C. // Trans. Amer. Inst. Mining Met. Engrs. – 1943, 152.
16. Новик, А. Релаксационные явления в кристаллах / А Новик, Б. Берри, Пер. с англ. Под ред. Э. М. Надгорного, Я. М. Сойфера. – М.: Атомиздат, 1975, – 472 с.
17. Zener C. // Phys. Rev., – 1947. – V.71, – P. 34.
18. LeClaire A.D. // Phil. Mag., – 1951. – V.42, – P 673.
19. Chang R. // Journ. Phys. Chem. Solids., – 1964. – V.25, – P. 1081.
20. Райченко, А.И. Основы процесса спекания порошков пропусканием электрического тока / А.И. Райченко – М.: Металлургия, 1987. – 129 с.
21. Бойко, Ю.И. Дислокационный механизм твердофазного электроразрядового спекания / Ю.И. Бойко, Ю.И. Клинчук // Порошковая металлургия. – 1981. – №3. – С. 41-46.
22. Raichenko, A.I. Theoretical analyse of the elementary act of electric discharge sintering / A.I. Raichenko, G.L. Burenkov, V.I. Leschinsky // Phys. Sintering. – 1973. – Т. 5. – №2. – P. 215-225.
23. Райченко, А.И. Модельное исследование спекания металлических порошков с интенсивным энерговыделением в межчастичном контакте / А.И. Райченко, М.З. Кольчинский // Порошковая металлургия. – 1977. – №8. – С. 14-18.
24. Бойко, Ю.И. Твердофазное спекание дисперсных кристаллических частиц. Дисперсные системы и поверхностные явления / Ю.И. Бойко, И.Т. Чижикова – Харьков, 1989. – С. 5-29.
25. Райченко А.И. О теории диффузии частиц с магнитным моментом в условиях действия магнитного поля / А.И. Райченко // Укр. физ. журн. – 1987. – Т. 32. – №1. – С. 142-147.
26. Eudier, M. The sintering mechanism of pure metals including «activated sintering» / M. Eudier // Symp. on Powder Metal. London. – 1956. – P. 346.
27. Бойко, Ю.И. Активирование процесса спекания ферромагнитных кристаллических частиц переменным магнитным полем / Ю.И. Бойко, Ю.И Клинчук., В.М. Куц, И.Т. Чижикова // Порошковая металлургия. – 1989. – №12. – С. 14-18.
28. Martin, N. Pinning of a Bloch wall by diffusion of carbon atoms in a silicon-iron single crystal: an experimental study by means of an autoregressive spectrum analysis method / N. Martin, F. Glangeaund, D. GuiLet, J.L. Porteseil // Solid State Phys. // Printed in Great Britain. – 1986. – №19. – P. 407-418.
29. Park, Young-Bae Moenig R. In situ SEM observations of thermal fatigue damage evolution in Cu interconnects: Effect of frequency end overlayers / Young-Bae Moenig R. Park, C.A. Volkert // Defect and diffusional forum vols. 2000. – P. 1469-1480.
30. Мюллер, С. Модернизация и ремонт персонального компьютера. / С. Мюллер – М.: Вильямс, 2004. – 1344 с.
31. Запорожец, Т.В. ПК Апаратне забезпечення / Т.В. Запорожец, Г.В. Луценко – Черкаси: РВВ ЧДУ, 2003. – 168 с.
32. Боровик, Е.С. Лекции по магнетизму / Е.С. Боровик, В.В. Еременко, А.С. Мильнер – 3 изд., перераб. и доп. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. – 512с.
33. B.S. Berry, W.C. Pritchet, Anelasticity and Diffusion of Hydrogen in Glassy and Crystalline Metals, in: Nontraditional Methods in Diffusion, G. E. Much, H, K. Binbaum, J. R. Cost (Eds.), The Metallurgical Society of AIME, Warrendale, 1984, p. 83.
34. J. Volkl, Ber. Bunsengesellschaft 76, 797 (1972)/
35. J. Volkl, G.Alefeld, in: Hydrogen in Metals I, G. Alefeld, J. Volkl (Eds.), Topics in Applied Physics 28, 321 (1978).
36. H. Wipf, Diffusion of Hydrogen in Metals, in: Hydrogen in Metals , H. Wipf (Ed.), Topics in Applied Physics 73, 51 (1995).
37. L. Neel, J. Phys. Rad. 12, 339(1951); J.Phys. Rad. 13, 249(1952); J. Phys. Rad. 14, 225 (1954).
38. H/ Kronmuller, Nachwirkung in Ferromagnetica, Springer Tracts in Natural Phylosophy, Springer-Verlag, 1968/
39. Вержаковская, М.А. Гетеродиффузия Al в α-Fe в импульсном магнитном поле / М.А. Вержаковская, С.С. Петров, А.В. Покоев // Письма в Журнал технической физики. – 2007. – Т. 33. – №22. – С. 44 – 48.
40. Xiaotao, Liu Phase growth in diffusion couples under an low frequency alternating magnetic field / Liu Xiaotao, Cui Jianzhong, Wu Xiaoming, Guo Yanhui and Zhang Jun // Scripta materialia. – 2005. – V. 52. №1. – P. 9-82.
41. Любов Б.Я., Сб. Диффузия в металлах и сплавах, изд. Тульский политехнический институт, Тула, 1968.
42. Бозорт Р, Ферромагнетизм, Издательство иностранной литературы, Москва, 1956.