Ползучесть кристаллических тел

Ползучесть кристалла связана с диффузионным механизмом перемещения атомов, поэтому ее называют диффузионной ползучестью. Спекание порошкового тела, содержащего соприкасающиеся порошинки и пустоту (поры), сопровождается ползучестью вещества (материала) этого тела.

Механизмы ползучести (деформирования) кристаллического тела в области достаточно высоких температур спекания могут быть различными. Выделяют непороговые механизмы, определяющие деформирование при сколь угодно малых напряжениях, и пороговые механизмы, проявляющие себя при напряжениях, превосходящих некоторое предельное. При непороговом механизме деформирования кристаллическое тело ведет себя подобно ньютоновской жидкости, отличаясь от нее тем, что коэффициент текучести его вещества зависит от структурного состояния тела и может изменяться во времени. При превышении σ_т возбуждаются пороговые механизмы, при которых ползучесть может являться следствием перемещения дислокаций, которые преодолевают различные препятствия (дислокационные стенки, микровключения и пр.). Необходимо отметить, что одновременно с действием механизмов пороговой ползучести могут действовать и механизмы непороговой ползучести.

Общим признаком всех механизмов непороговой ползучести является направленный диффузионный поток вакансий (или, что то же самое, поток атомов в противоположном направлении), который возникает в пределах каждого из элементов структуры из-за градиента концентраций вакансий. Этот поток может привести к изменению формы отдельного зерна без изменения его объема. Существенным в этом процессе является то, что диффузионные потоки в пределах отдельного зерна не создают потока в масштабах всего порошкового тела. Деформирование всего порошкового тела как целого является процессом самосогласованным в том смысле, что на их границах раздела не возникают нарушения сплошности и изменение формы зерна зависит от изменения формы зерен, находящихся с ним в непосредственном соседстве.

Вязкое течение кристаллических тел при малых нагрузках и диффузионное перераспределение вещества за счет градиента концентраций вакансий в объеме элементов его структуры – идентичные процессы, в основе которых лежит вакансионный механизм. Поэтому принято говорить о диффузионновязком течении (диффузионной ползучести) порошковых тел при спекании.

Рассмотренный механизм деформирования порошкового тела носит название механизма Набарро-Херринга-Лифшица. Он относится к идеализированному кристаллическому телу, где сетка «аморфизованных» границ является единственным признаком неравновесности, тогда как в реальных порошковых телах имеется значительное количество одиночных краевых дислокаций, движение («переползание») которых в поле напряжений может существенно определять кинетику ползучести. С этим связана наблюдаемая неустановившаяся ползучесть в режиме непорогового деформирования и ее зависимость от предыстории образца.

Пороговая ползучесть кристаллических тел связана с проявлением механизмов, действующих при напряжениях, которые превосходят величину напряжений, необходимых для преодоления препятствий, сдерживающих движение дислокаций. Торможение дислокаций может быть связано с их взаимодействием друг с другом или обусловлено различными локализованными дефектами (стопорами), расположенными в плоскости движения дислокации. К таким дефектам относят точечные дефекты и их скопления, выделения посторонней фазы (например, оксидов на поверхности частиц), дислокации в других системах скольжения, пересекающих плоскость, в которой движется рассматриваемая дислокация. Сами стопоры могут обладать различной степенью подвижности, в том числе быть и неподвижными.

На ползучесть кристаллических тел при спекании существенное влияние оказывает дефектность их структуры. Известно, что деформация порошкового тела обнаруживается уже в процессе его нагрева до температуры изотермического режима. Ее называют неустановившейся ползучестью (когда скорость процесса убывает со временем), и она может быть значительной, если в исходном состоянии структура порошкового тела существенно искажена и его нагрев осуществляют под нагрузкой.

В изотермических условиях спекания установившемуся (стационарному) режиму ползучести также предшествует этап неустановившейся ползучести, отличный от указанного для режима нагрева. Ползучесть, происходящая при нагреве порошкового тела, зависит от режима нагрева, который влияет также на кинетику ползучести в наступившем изотермическом режиме.

Процессы, происходящие при неустановившейся ползучести в изотермическом режиме, обычно связывают с «залечиванием» неравновесных дефектов кристаллической решетки, имея в виду не только дефекты, локализованные в ее объеме, но и различные неровности (искривления) поверхностей, ограничивающих элементы структуры порошкового тела. В юбъектах, нагрев которых не сопровождается изменением состояния их кристаллической решетки («равновесные» структуры), режим нагрева не влияет на кинетику ползучести в изотермическом режиме.

В процессе изотермического спекания текучесть вещества не остается постоянной и с увеличением длительности нагрева уменьшается, что связано с восстановлением искажений кристаллической решетки. Поэтому повышенная текучесть порошкового тела в начале спекания обусловливается большой концентрацией в нем дефектов, исправление которых резко ускоряет диффузию, постепенно уменьшающуюся во времени.

Считается установленным, что уплотнение нагреваемого порошкового тела происходит в результате как диффузионно-вязкого течения (диффузионной ползучести), так и обычных процессов объемной диффузии.