Пластическая деформация металлов - Хоникомб Р.
Скачать (прямая ссылка):
Печь
Фиг. 2.2. Выращивание монокристалла методом зонной плавки [18].
проводится в атмосфере высокочистого аргона или при хорошем вакууме. Расплавленную зону, которая медленно перемещается вдоль стержня, можно сделать достаточно устойчивой, если длина зоны будет пропорциональна (о7р)1/2, где а — поверхностное натяжение, ар — плотность металла. Можно плавить стержни диаметром до 2,5 см, но для того, чтобы получить монокристалл, может потребоваться несколько проходов зоны. Однако после достижения высокого уровня чистоты можно получить монокристаллы многих тугоплавких металлов, например вольфрама, тантала, молибдена, ванадия, никеля, рения и др.
2. Рост зерна в твердом состоянии
Наиболее широко используемым методом выращивания монокристаллов в твердом состоянии является метод деформация — отжиг, впервые предложенный Карпентером и Илам в 1921 г. для получения крупных кристаллов алюминия. Мелкозернистый отожженный образец растягивается до критической деформации растяжения, соответствующей удлинению на 1—2%, а затем отжигается при постепенно возрастающей температуре. При этом имеет место зарождение и рост нескольких, а часто только одного зерна; при наиболее высокой температуре это зерно заполняет всю слегка деформированную матрицу. Для успешного применения указанного способа необ-
1J Этот метод называют также методом бестигельной плавки.— Прим. перев.
Деформация металлических кристаллов
21
ходимо тщательно контролировать несколько переменных величин, таких, как начальный размер зерен, критическая деформация, скорость нагрева при отжиге на выращивание зерна и максимальная достигаемая при этом температура.
После того как оптимальные условия определены, выращиваемые кристаллы получаются обычно высокого качества, причем нужная форма кристаллов и вид поверхности могут быть заранее точно заданы. Применение этого метода в значительной степени ограничено теми металлами и сплавами, которые не имеют заметной тенденции к образованию двойников отжита; примером может служить алюминий. Данный метод не подходит и для металлов, которые при малой пластической деформации претерпевают сильное двойникование. Метод деформация — отжиг оказывается полезным для получения кристаллов, которые нельзя вырастить из расплава, поскольку при охлаждении в твердом состоянии происходит фазовое превращение (например титан, а-железо).
В последние годы описанная выше методика была усовершенствована таким образом, что отжиг деформированных образцов производится в движущейся градиентной печи и кристалл, зародившийся у одного конца образца, прорастает по мере движения печи на всю его длину. Этим способом удается вырастить м оно кристаллические прутки алюминия и некоторых его сплавов длиной до 50 см. Для чистого алюминия температурный градиент не должен превышать 20 град/см, но в случае некоторых алюминиевых сплавов необходим градиент 100 град/см, а для выращивания кристаллов кремнистого железа использовались градиенты порядка 1000 град/см.
Некоторые металлы, например молибден, вольфрам и ниобии, могут быть получены в виде монокристаллов путем роста зерна без предварительной пластической деформации с помощью метода, разработанного Андраде [91. Длинная тонкая (диаметром 1 мм) проволока равномерно нагревается пропусканием электрического тока, а затем вдоль проволоки проходит небольшая печь, создающая температурный градиент, благодаря которому можно добиться роста одного зерна за счет других.
Металлы, в которых при охлаждении происходят фазовые превращения, например железо, цирконий, уран, титан, в некоторых случаях можно получить в виде монокристаллов или в грубозернистой форме путем медленного охлаждения при превращении. Иногда приходится прибегать к повторным циклическим нагревам и охлаждениям через точку фазового перехода. Напряжения, возникающие в результате объемных изменения, связанных с фазовыми превращениями, по-видимому, играют существенную роль в этих методах.
Для выращивания очень больших зерен в листовых образцах можно использовать явление вторичной рекристаллизации (гл. 11). Сильнокатаную в одном направлении медь можно рекрпсталлизовать в области температур 500—700° С. Если этот материал затем отжечь вблизи температуры плавления, то произойдет вторичная рекристаллизация: возникнет несколько крупных зерен или даже одно зерно. Монокристаллы сплавов железо — никель и железо — кремний также получают этим способом.
Резюмируя, можно сказать, что методы, связанные с плавлением материала, имеют более широкое применение и могут быть использованы для приготовления больших кристаллов в относительно простых по форме тиглях. Получение определенной ориентировки сравнительно легко осуществляется путем использования затравочных кристаллов. С другой стороны, методы, связанные с плавлением, не во всех случаях дают достаточно удовлетворительный результат, в частности для легированных кристаллов, в которых возможно образование сегрегации. Методы выращивания кристаллов в твердом состоянии позволяют избежать перераспределения примесей, к тому же и форма кристалла может быть заранее предопределена. Однако
