השפעת המבנה של גרלין ברומרי על הדהיפציה של אי-החלים במכות

ההיתוך של זיהומים במכות הוא גורם קריטי השולט המאפיינים המכניים שלהם, עמידות קורוזיה, ואטומי עמידות לטווח ארוך. אטומי אי-ציות - בין אם מתווספים בכוונה כאלמנטים מסגסוגת או בהווה כמזהמים - יכול לעבור דרך מסגסוגת מתכת ולאורך ממשקים פנימיים. בין המאפיינים המיקרו-תרבותיים המשפיעים ביותר השולטים על זה הם גבולות דגנים.

מה הם Grain Boundaries?

גבולות גרלין הם ממשקים דו-ממדיים נפרדים גבישים בודדים (גרינים) בתוך מתכת פוליקלית פוליקלית. במהלך הגשמה או עיבוד תרמומאני, דגנים סמוכים לעתים קרובות מתפתלים וצמחים עם אוריינטציה גבישית שונה.הגבול הוא האזור שבו ה- lattice הוא משבש, יצירת אזור של חוסר התאמה אטומי. אזור זה בדרך כלל יש רוחב אחד למספר אטומי ותכונות נפרדות לדגנים.

גבולות גרנין אינם מטוסים פשוטים; הסדר האטומי שלהם תלוי בזווית השלילית בין שני הדגנים לבין הנטייה של מטוס הגבול.חלק מהגבולות הם כמעט מושלמים (אנרגיה נמוכה), בעוד אחרים הם פגומים מאוד (אנרגיה גבוהה) המגוון המבני הזה משפיע ישירות על האופן שבו אטומים וזיהומים עוברים דרך הממשק.הדיפוזיה לאורך גבולות דגנים – לעתים קרובות פקודות של גודל מהיר יותר מאשר דרך הליטטי – תפקיד מרכזי כגון תהליכי תחמוצת, כמו הדבקה, כמו קרינת מגנטית, קרינת מגנטית, כמו קרינת מגנטית, מגנטית, מגנטית, .

סוגים של מבנה גרפין

גבולות גרלין מסווגים על בסיס זווית השלילית בין דגנים סמוכים לבין מידת הסדר בסידור האטומי.הקטגוריות העיקריות הן:

תגית: Angle Grain Boundaries

גבולות הסבך הנמוך (ההתאמה פחות מ-10-15 מעלות) מורכבים ממערך קבוע של פירוקים.הההתאמה מוצפנת על ידי קווי פירוק דיסקרטיים אלה, והגבול שומר מבנה מסודר יחסית. כי הליבה של כל פירוק הוא אזור של עיוות אטומי גבוה, גבולות סבך נמוך מספקים סדרה של "קומפוזיציות מהיר", לעומת זאת, הגוון המתון באופן סביר, לעומת הגדלים למדי, גם מדגימים למדי, הם המשתנים.

« אנטנגל גרלין Boundaries

כאשר הערפל עולה על 15 מעלות, הגבול הופך לגבול גרגר סבך גבוה (HAGB) המבנה האטומי של HAGB הוא בדרך כלל יותר מהפרעה, לעתים קרובות דומה שכבה דקה דמוי amorphous. הפרעה זו יוצרת אתרים רבים, אג"ח מתפתל, וערוצי פתיחה כי להפחית משמעותית את אנרגיית ההפעלה עבור קפיצות אטומיות.

אתר Coincidence Site Lattice (CSL) Boundaries

בין גבולות הסבך הגבוהים, אלה התואמים את דרגת ההתאמה האטומית נקראים גבולות הנדסת אתר מקרי (CSL) (הגבול הנפוץ ביותר CSL הם גבולות תאומים ( ⁇ 3 במכות מעוקבים ממוקדים, למשל) למגבלות תאומים יש הסדר אטומי של סיגנל (CSL) והם מסודרים מאוד.הם פועלים לעתים קרובות כחסמים לטבולית ולא במהירות כיוון שאטומים כמעט תצורה דחוסה כמו גבולות נמוכים ( ⁇ ) לעומת ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Aסימטרי ו-Tilt Boundaries

מעבר לטוטה טהורה או טוויסט, גבולות אמיתיים מעורבים לעתים קרובות.הכיוון של מטוס הגבול יחסית לאקסקסים קריסטל יכול ליצור וריאציות מבניות נוספות. Aסימטרי גבולות לחשוף אריזה אטומית שונה באזורים שונים, המוביל לנכסים דיפוזיה אנזוטרופיים.

מכניזם של Diffusion ב Grain Boundaries

פיזור אי-יעילות בגבולות דגנים הוא מנגנון שונה מאשר מנוף אטיצ'ה.ב- lattice, אטומים עוברים דרך vacancy או צנרת בינתית, המחייבים יצירת פגמים נקודה. בגבולות דגנים, צפיפות גבוהה של vacancies מבני, צ'יפס, ו אתרי קינק מספקים מסלולים מוכנים.

Grain-Boundary Diffusion (Pipe Diffusion)

Atoms נודד לאורך הליבה ההפרעה של הגבול. אנרגיית ההפעלה של תהליך זה היא בדרך כלל 0.4-0.6 כי של LIce diffusion כי קפיצות אטומיות דורשות פחות אנרגיה כדי לשבור אג"ח, כי עודף נפח חופשי מוריד את מחסום ההגירה.זה "פיפ דיפוזיה" שולט תחבורה המונית בטמפרטורות נמוכות עד בינוניות שבו רטיצ'ופי הוא קפוא.

המונחים: Assised Diffusion

אי-ציות שמחלחלות לגבולות דגנים (גרור מוחלט) יכולות להתרכז באזור הגבול.הריכוז המקומי הגבוה מניע ריכוז גדול לתוך הליטקטיס הסמוך, מאיץ את פלוקס הטבולי הכולל.הרגישות הכימית בין הליטורגיות והגבול יכולה גם להוריד את אנרגיית ההפעלה עבור קפיצות בין-גזעיות.זה חשוב במיוחד עבור dopants in Semiffusion flux או אלמנטים של מתחמיים (Gates) לתרכובות (Gates).

המונחים: core Diffusion

בגבולות סבך נמוך, ליבות פירוק אינדיבידואליות לפעול כמו ערוצי דיפוזיה מבודדים.האפקט הטבולי לאורך הליבה של פירוק יכול להיות 102-104 פעמים מהר יותר מאשר פיזור ללחצ'ה. עם זאת, כי החלקיק של נפח הליבה הוא קטן, התרומה נטו לעתים קרובות פחות מאשר של גבולות סבך גבוה, אלא אם כן החומר יש צפיפות גבוהה.

גורמים המשפיעים על גרלין Boundary Diffusion

שיעור הפיזור הזיהומים לאורך גבולות הדגנים אינו קבוע; הוא תלוי במספר רב של משתנים חומריים וסביבתיים.

טמפרטורה

(ה) הטמפרטורות הגבוהות ביותר (הדגשה) מגבירות את האנרגיה האינטומנטאלית של אטומים ואת השיעור שבו הם יכולים להתגבר על מחסומים אנרגיה.עבור טבולית של דגנים, משוואה ארניניוס חל: FLT:0DFLT:1=FLT:2DFLT 3 ⁇ 0 exp(Fveduad:5 / FLT) LT) לעומת 7.

סוג ומבנה

כפי שתואר קודם לכן, הסדר האטומי בגבול משפיע מאוד על דיפוזיה.גבולות מורכבים מהפרעות גבוהות לקדם דיפוזיה מהירה יותר; הורה גבולות תאומים להאט אותו.גם בין ה- HAGBs אקראיים, שיעור הטבוליות יכול להשתנות על ידי סדר גודל בהתאם לאריזות האטומיות המקומיות.בחומרי ננוקריסטלי, צפיפות גבוהה של דגנים מובילה לעלייה דרמטית בגוון הכולל, אשר יכול להאיץ כמו תהליכים מצופים או מפוסקים.

גודל אי-יעילות וכימיה

גודלו של אטום הנחיתות ביחס להשפעות המתכת המארחות אם הוא שוכן באתרי תת-מגזריים או בין-תחומיים בגבול.אטומים גדולים (למשל, אלמנטים נדירים) עשויים לחוות דיפוזיה פלוגמית בשל סטיות סטרקטיות, בעוד אטומים קטנים (למשל, מימן, פחמן) לעתים קרובות מלוטשים במהירות רבה לאורך הגבולות הכימיים.

מתח יישומי ועיוות

מתח חיצוני יכול לשנות את הפיזור הגבול של דגנים בכמה דרכים. ראשית, מתח ⁇ s לנהוג דיפוזיה (החלץ כפול) שבו אטומים נודדים משטחים תחת דחיסה לאלה תחת מתח.שני, עיוות פלסטיק יכול ליצור גבולות דגנים שאינם מזהמים עם פגמים עודף, עלייה זמנית של דיפרנציות.שלישית, לחץ יכול לשנות את הזינוק האטומי המקומי בגבולות הליבה, שינוי מחסומים היתוך.

נוכחות של אימפולסים אחרים ו-Dopants

הסגירה של מספר רב של זיהומים יכולה לחסום או לשפר את נתיבי דיפוזיה.לדוגמה, נוכחות של פחמן בגבולות דגנים בברזל יכולה להפחית את הניידות של זיהומים אחרים על ידי כובש אתרים נוחים.conversely, תופעות סינרגיסטיות (למשל, דיפוזיה המושרה מימן של vacancies) יכול להאיץ את התחבורה.

טכניקות ניסיוניות לחקר גרלין Boundary Diffusion

הבנת כיצד מבנה גבול דגנים משפיע על דיפוזיה דורש שיטות ניסוייות מדויקות.הטכניקות הבאות משמשות בדרך כלל:

רדיוטרר-צוואר Diffusion

השיטה הקלאסית כוללת להפקיד איזוטופ רדיוטרקוס על פני השטח של מתכת, annealing כדי לאפשר דיפוזיה, ולאחר מכן באמצעות סעיף סידורי למדידת פרופיל חדירה.על ידי ניתוח חלוקת עומק - במיוחד האזור שבו diffusion ריבונית שולטת (באמצעות ניתוח ®Welple-Suoka) - חוקרים לחלץ את הצטברות של דגנים-Ralffusion מציעה טכניקה רבת עוצמה ישירה.

Ion Mass Spectrometry (SIMS)

SIMS משתמש בקרן הראשית כדי לקטוע את פני השטח ולזהות מושגים משניים מהדגימה.עם יכולת פרופיל עומק, זה יכול למפות את ריכוז של איזוטופים יציבים או זיהומים בעלי צפיפות נמוכה. SIMS יש רגישות מצוינת (ppm to pb) ויכול להבחין בין דיפוזיה מגבולות דגנים וממטריקס, במיוחד כאשר בשילוב עם מיקרוסקופיה.

Atom Probe Tomography (APT)

APT מספק שחזור בקנה מידה אטומי תלת מימדי של דגימה.על ידי אטומים מחוד החנית ומיפוי עמדותיהם, APT יכול באופן ישיר לדמיין הפרדה בלתי-ממדית בגבולות דגנים ולמידת ⁇ ריכוז מקומיים.טכניקה זו היא ייחודית המסוגלת לקשור מבנה עם הרכב ברמה האטומית.

Transmission Electron Microscopy (TEM) עם Spectroscopy

TEM, במיוחד בשילוב עם ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן (EDS) או אלקטרון אובדן אנרגיה ספקטרוסקופיה (EELS), יכול לצלם מבנה גבול דגנים ובו זמנית לזהות שינויים ההרכבה.

השלכות על עיצוב חומרי

היכולת לשלוט במבנה גבול דגנים במהלך עיבוד מספק מנוף רב עוצמה עבור התאמת נכסים. על ידי הבנת התנהגות דיפוזיה, מהנדסים יכולים לעצב חומרים עבור יישומים ספציפיים:

התנגדות קורוזיה

פיזור אי-ציות לאורך גבולות דגנים לעתים קרובות גורם קורוזיה intergranular.לדוגמה, chromium depletion בגבולות דגנים בפלדות אל-חלד (רגישות) מוביל לבורחת. על ידי קידום היווצרות של גבולות מיוחדים (למשל, ⁇ 3 תאום גבולות) או על ידי החזרת התפלגות הגבול של דגנים (GB), ההסתה של מסלולים מהירים שניתן למזעריים כדי לשפר את הגבולות ה ⁇ ם.

אופטימיזציה Sintering and Alloying

באבק מתכתיורגיה, דיפוזיה מהירה של דגנים מאיצה את תהליך החיטוי, צמצום הנפיחות ושיפור הגינוי.שליטה תוספת של זיהומים או דופנטים יכול לשפר את הניידות הגבול באופן דומה, בתהליכים סגסוגת, דיפוזיה ריבונית דגנים מאפשר ההומוגוניזציה מהירה בטמפרטורות נמוכות יותר, צמצום עלויות האנרגיה.

מניעת ה- Hydrogen Embrittlement

הידרוגן diffusion הוא דאגה גדולה פלדה גבוהה סטרנגית ⁇ טיטניום. אטומי הידרוגן לנוע מהר מאוד לאורך גבולות דגנים, והצטברות שלהם יכולה לגרום לדהוק או היווצרות הירגע.עיצוב מיקרו מבנים עם צפיפות גבוהה של גבולות תאומים קוהרנטיים - אשר לפעול כמו מחסומים - יכול להאט תחבורה מימן.

בקרת חשמל ו-thermal Transport

במכשירים אלקטרוניים, גבולות דגנים משפיעים על אלקטרומיגציה - התנועה של אטומים תחת זרם חשמלי. אי-ציות אי-ציות אימפולסיבית בגבולות יכולה להוביל להיווצרות וכישלון של מכשירים - על ידי גבולות הנדסיים עם מעטות נמוכה יותר (למשל, באמצעות גבולות CSL) או על ידי הוספת dopants כי לקשט גבולות, הזמן הממוצע לכישלונות יכול להיות מורחב.

התקדמות ב-Nanocrystalline ו- Ultrafine-Garrow Materials

מתכות ננוקריסטלליין, עם גדלים דגנים מתחת 100 nm, מכילים שבריר נפח עצום של גבולות דגנים.זה משפר באופן דרסטי את שיעורי הפיזור הכולל, המאפשר superplastic להרכיב בטמפרטורות נמוכות. עם זאת, זה גם מאיץ את צמיחת דגנים והפרדה בלתי פתיראלית.

מסקנה

המבנה של גבולות דגנים הוא גורם מכריע בפיזור של זיהומים במכות.מממשקים הנדונים של גבולות תאום ליבות לא-ההפרעה של גבולות סבך גבוה אקראי, כל סוג מציע סביבת דיפוזיה נפרדת.גבולות סבך נמוך מספקים מערך של צינורות פירוק; גבולות סבך גבוהים פועלים ככבישים עבור תחבורה אטומית; גבולות מיוחדים CSL משמשים לעתים קרובות מחסומים כמו טמפרטורה, , טמפרטורות, , , אימפולסיביות, וכלה, , פיזור, וכל , וכל טמפרטורות פיזור, וכלה, וכלה, פיזור, כל אחד, וכלה, עם פיזור, כל חומר פיזור, כל אחד פיזור פיזור, כל אחד, עם השפעה פיזור, עם תפקוד עמוק פיזור פיזור פיזור, עם ביצועים עמוקים פיזור פיזור פיזור פיזור פיזור , עם תפקוד עמוק פיזור פיזור פיזור , עם תפקוד עמוק פיזור פיזור פיזור פיזור פיזור פיזור פיזור, עם ביצועים עמוקים פיזור אטומי.

טכניקות ניסיוניות כגון diffusion רדיואקטיבי, SIMS, APT ו-TEM ממשיכים לחדד את ההבנה שלנו של תופעות אלה. Armed with this Knowledge, מהנדסים יכולים כעת לעצב חומרים מתכתיים עם אופי גבול דגנים מבוקר במכוון כדי לדכא דיפוזיה לא רצויה (למשל, בקורטוזיציה-resistant alloys) או לשפר אותו (למשל, בחטא).