Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Морфология пористости
Исследование строения пористого слоя

Значительный интерес в последние годы представляют следующие исследования пористых материалов:

1) общих особенностей материалов, имеющих регулярные включения, в том числе поры;
2) кинетики процессов формообразования и изменений пористых структур;
3) пористости материалов и ее влияния на основные характеристики, например проницаемость пористых фильтров;
4) адсорбционных и капиллярных явлений на пористых поверхностях и в сердцевине материалов, в том числе взаимодействия с поверхностно-активными веществами;
5) теоретических и экспериментальных методов изучения различных механических характеристик пористых материалов, включая особенности их поведения в условиях фрикционного контакта.

Проблема экспериментального изучения строения и геометрического описания пористых материалов связана с конкретной характеристикой, в частности проницаемостью пористых материалов для определенных жидкостей или газов. Накопленный экспериментальный материал позволил разработать более общий подход к пористости в целом. Особое место при этом занимает создание новых материалов и изучение их свойств.

Рад исследований проведен с целью изучения формы, пространственного распределения и строения пор, различных математических и статистических моделей, методов изучения размеров пор и их распределения для ансамблей пор в различных материалах. Значительное число работ посвящено экспериментальным методам определения пористости. Наибольшее распространение получили гидростатические методы, самым известим из которых является ртутная порометрия. В последнее время интенсивно развиваются оптические методы, применяемые также для исследования пористых подшипников.

Теоретические исследования пористости включают несколько основных аспектов. Проведены разносторонние исследования единичной поры и влияния различных несовершенств строения материалов на процесс образования и поведения пор. Изучены микромеханизм и кинетика развития пор в кристаллических материалах под влиянием активной деформации, оценена энергия их образования. Развита обобщенная теория зарождения и развития ансамблей микропор.

Среди различных направлений исследования ансамблей микропор заметное место занимает изучение взаимодействия пор между собой и с поверхностью кристалла. Из них следует выделить исследования формирования дислокационных ансамблей и диффузионных процессов вокруг пор. На основе этих работ изучены диффузионные и дислокационные механизмы взаимодействия пор между собой. Наибольшее значение для рассматриваемой темы имеют исследования диффузионных механизмов образования и роста пор. В настоящее время теоретические исследования направлены на изучение роста пор, контролируемого поверхностной, совместной поверхностной и зернограничной диффузией, на определение влияния деформаций на скорость диффузионного роста поры, а также на изучение особенностей порообразования при взаимной диффузии в образцах определенной формы конечных размеров.

Вопрос происхождения пористости в диффузионных слоях, и в частности силицированных покрытий на основе сплавов Fe-C, в настоящее время еще не решен. Одни исследователи считают, что пористость при диффузионном силицировании имеет чисто диффузионное происхождение, т.е. зависит только от разности парциальных коэффициентов диффузии кремния из а'- в а-фазу и железа в противоположном направлении, влияющих на эффекты Киркендалла и Френкеля. Согласно точке зрения других исследователей происхождение пор имеет химическую природу - высокотемпературное травление.

Интересны исследования циклического зарождения и спекания пор диффузионного слоя (при скоростном нагреве) с точки зрения их химического происхождения. На их основе даются рекомендации по уменьшению пористости как в ходе, так и перед диффузионным процессом легирования матрицы элементами с более высокой диффузионной подвижностью, легирования матрицы элементами, затрудняющими диффузию, и совместным насыщением стали кремнием и элементами с меньшей диффузионной подвижностью, а также после насыщения методом высокотемпературного (выше 1200 С) спекания.

В настоящее время имеется довольно обширная информация, позволяющая проводить исследования диффузионных слоев, как в научных, так и в прикладных целях.

Оценка пористости

Диффузионные пористые покрытия имеют две четко выраженные поверхности, переходящие постепенно одна в другую, - внешнюю и внутреннюю. Внешняя, определяется микрогеометрическими параметрами детали, а внутренняя образована порами внутри объема диффузионного слоя. Края многочисленных пор различной геометрической формы, выходящие на внешнюю поверхность детали, являются областью перехода.

Как теоретические, так и экспериментальные исследования механизма образования пористых диффузионных слоев сталкиваются с существованием малоизученной, качественно новой формой материала - пористой структурой, наиболее общее проявление которой заключается в нарушении кристаллического строения вследствие скопления вакансий и искажения межзеренных границ.

Возникновение пор в кристаллических телах обусловлено протеканием в них диффузионных процессов. Как известно, в реальных кристаллах необходимым условием диффузии является наличие ва¬кансий, которые обычно распределяются в структуре равномерно. Кроме вакансий, к пустотам в кристаллических телах относятся междоузельные промежутки. Процесс диффузии, как правило, происходит одновременно по всем пустотам. В непосредственном соседстве с атомом, который совершает элементарный диффузионный процесс, всегда находится междоузельный промежуток, в то время как вероятность нахождения рядом необходимой вакансии всегда мала. Если в междоузлии находится атом по размерам почти такой же, как этом в узлах, то ему трудно перейти в соседнее междоузлие, поскольку для этого потребуется значительное искажение решетки. Атому, находящемуся в междоузлии, легче вытеснить атом из узла решетки и, создав вакансию, занять ее.

Вакансия в процессе диффузии совершает направленное перемещение в беспористую область с различными неоднородностями - трещинами, макроскопическими напряженными областями, которые являются стоками вакансий и становятся зародышами пор. Возникновение и рост пор можно объяснить на основе оценок термодинамических величин. Формирование пор на дефектах кристаллической структуры благоприятно потому, что кристалл с дефектами имеет достаточно большую избыточную энергию, которая использует при формировании зародышей пор.

В реальных кристаллах (металле) при нестационарном локальном тепловом воздействии и последующем выравнивании температур происходит эволюция поля упругопластических деформаций, что приводит к появлению остаточных напряжений сдвига, которые релаксируют путем вязкого течения с некоторым временем t, зависимым от температуры. Скорость этого процесса значительна лишь при высокой температуре. Другим путем уменьшения остаточных напряжений является формирование и развитие пор. Значение радиуса R поры, начиная с которого пора устойчиво растет при передаваемой телу энергии примерно 400...1000 эВ, оказывается близким к размеру скопления очень небольшого числа вакансий. После того как рост поры в результате релаксации внутренних напряжений прекратится, ее дальнейшее развитие становится возможным уже за счет градиента концентрации вакансий.

В объеме материала имеется пресыщение вакансиями, вызванное локальным нагревом, а на поверхности поры концентрация вакансий равна термодинамически равновесному значению. Такая разность концентрации вакансий может возникнуть вследствие поверхностного натяжения. Особый интерес представляет изменение размеров поры под действием напряжений. Основной движущей силой этого процесса считается градиент концентраций вакансий, возникающих вследствие поверхностного напряжения поры.

Если на кристалл действует внешнее напряжение, то у поверхности поры равновесная концентрация вакансий достигается относительно быстро, в то время как при удалении от поры концентрация вакансий остается прежней. Таким образом, новое состояние кристалла оказывается неравновесным. При этом возникают потоки вакансий и атомов, направленные на устранение возникшей неустойчивости. В зависимости от знака напряжений и от состояния их составляющих пора может расти или раствориться.

Граница зерна - структурная неоднородность в кристалле - под действием внешнего напряжения становится источником или стоком вакансий. Основным фактором, определяющим знак источника, является значение нормального к границе зерна составляющего внешнего напряжения. Значение последнего определяет равновесную концентрацию Sr вакансий вблизи межзеренной границы.

В.И.Удовицкий - "Пористые композиционные покрытия"

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика