Потенциала деформации

Рис. 21. Предел прочности при изгибе и предел выносливости стали марки ЗОХГТ, цементованной по трем режимам (/, 2 и 3), с различным содержанием углерода в поверхностном слое, полученным путем изменения углеродного потенциала атмосферы [44]

углеродного потенциала атмосферы, то воз-

Однако следует заметить, что все указанные данные относятся к предельно-максимальному значению окислительного потенциала атмосферы, т. е. к случаю, когда в любом исследуемом интервале температур реакции взаимодействия с кислородом и реакции (1), (2) протекают только в направлении окисления.

Концентрация диффундирующего элемента иа поверхности С„ зависит от соотношения скоростей подачи диффундирующего элемента к поверхности и отвода его вглубь. Концентрация элемента на поверхности следовательно зависит от активности насыщающей среды (потенциала атмосферы) и скорости диффузии атомов с поверхности в глубь металла.

а) автоматическое регулирование углеродного потенциала атмосферы, что обеспечивает заданную концентрацию углерода в слое;

Для регулирования углеродного потенциала атмосферы, применяемой для нитроцементации, могут быть использованы те же эмпирические кривые равновесия, что и для цементации. Однако до сих пор отсутствуют методы регулирования потенциала азота в атмосфере, и поэтому используют только способ регламентирования количества аммиака, добавляемого к эндотермической атмосфере.

Датчики для измерения углеродного потенциала контролируемых атмосфер. В практике термической обработки применяют методы прямого и косвенного измерения углеродного потенциала атмосферы. Прямой метод основан на определении изменения электросопротивления датчика — тонкой проволоки из технически чистого железа (фольги), в результате его науглероживания при химико-термической обработке. При этом методе учитываются возможные колебания температуры, давления и состава контролируемого газа в печи. Недостатки метода — ограниченные пределы измерения углеродного потенциала (0,2—1,2%) и одноразовое действие датчика [3].

Системы автоматического регулирования углеродного потенциала атмосферы при химико-термической обработке. Регулирование углеродного потенциала в рабочем пространстве печей для химико-термической обработки предполагает одновременное регулирование состава эндогаза, вырабатываемого генератором. Поэтому система автоматического регулирования углеродного потенциала атмосферы при химико-термической обработке состоит из двух подсистем, включающих такие объекты регулирования, как печь и газогенератор.

Системы автоматического регулирования состава газа (углеродного потенциала) в печах. Состав атмосферы в печах чаще всего регулируют по точке росы или по содержанию С02. При этом заданные значения температуры точки росы или содержания С02 достигаются изменением количества подаваемой в печь добавки природного газа. Таким способом осуществляется автоматическое регулирование углеродного потенциала атмосферы при нитроцементации на 21-поддонном безмуфельном агрегате конструкции ЗИЛ [16].

Автоматическое регулирование углеродного потенциала атмосферы при цементации и нитроцементации в агрегатах осуществляется одним шеститочечным прибором «Инфра-Рис. 8. Схема автоматического регулирования ГРНРПЯТППЯУ и TIHVY

Система регулирования, однако, не учитывает возможного изменения температуры, а следовательно, и углеродного потенциала атмосферы в процессе химико-термической обработки.

Для металла в случае длинноволновых упругих колебаний плотности из условия постоянства уровня Ферми везде по кристаллу была найдена величина потенциала деформации [5], характеризующая локальное нарушение электронейтральности:

Появление локальных потенциалов деформации само по себе еще не определяет ускорения электрохимического растворения металла. Действительно, если говорить конкретно об изменении работы выхода иона металла, то следует учесть, что химический потенциал металла складывается из химического потенциала ионного остова и химического потенциала «свободных электронов». Потенциал деформации связан с изменением последней составляющей: численно равен изменению энергии свободного носителя зарядов — электрона, которая является лишь небольшой частью химического потенциала металла Ч Поэтому для изменения работы выхода иона на величину, которая проявится в сдвиге стандартного электродного потенциала (за счет изменения ионного обмена), эквивалентном максимальному значению потенциала деформации, потребуется затратить неизмеримо больше энергии, чем для полученного выше изменения энергии носителя на величину потенциала деформации.

Дилатация, связанная с ангармоничностью, может быть описана моделью нелинейного расширения дислокаций [7], дающей возможность вычислить среднюю дилатацию AWV. Использование этой модели позволило проследить [81 влияние среднего нелинейного расширения равномерно распределенных дислокаций, на электромагнитные явления, связанные с процессами переноса носителя внутри металлов. При этом не использовалась детальная модель потенциала деформации, а принималась предположительная зависимость электромагнитных параметров от величины нелинейного расширения, содержащая коэффициенты, значение которых, вообще говоря, неизвестно. С точки зрения понятия потенциала деформации обнаруженное влияние пластической деформации на" процессы движения носителя в металле

Анализ ангармонического расширения [34] показывает, что чисто гидростатическое давление и напряжения любого вида (в том числе касательные) вызывают дилатацию, пропорциональную запасенной энергии. Следовательно, в случае и краевых, и винтовых дислокаций дилатация, обусловленная ангармоническими членами, пропорциональна энергии дислокации: AI//V,-~ W. Отсюда расчеты дают оценку увеличения объема АУ «=; ЗЬ3/2 на отрезке длиной Ъ (вектор Бюргерса) вдоль дислокаций, хорошо согласующуюся с экспериментальными данными измерения дилатации в сильно деформированных металлах [6]. Хотя средняя по кристаллу величина дилатации невелика, локальные значения дилатации при краевых дислокациях (в отличие от винтовых) достигают большой величины, так что на этих дислокациях возникает электрический диполь [35] вследствие перераспределения электронов проводимости, обусловленного изменением гидростатического давления в окрестности дислокации [5]. Локальное возмущение самосогласованного поля свободных электронов, вызываемое появлением потенциала деформации с нарушением локальной электронейтральности, должно оказать влияние на различные физические процессы в крис-сталле[5]. В случае же винтовой дислокации гидростатическое давление связано только с ангармоническим расширением и мало [6].

Рассмотрим роль дислокационных скоплений в формировании потенциала деформации.

Сопоставляя формулу (133) с общим выражением потенциала деформации (28) и учитывая аддитивность энергетических параметров при образовании плоского скопления из п копланарных дислокаций [31 ], находим окончательную оценку для локального потенциала деформации, вызванной плоским скоплением из п дислокаций:

Вычислим величину потенциала деформации на поверхности пластически деформируемого кристалла. Е. Д. Щукин показал [83], что образующаяся при выходе краевых дислокаций новая поверхность может выдержать скопление дислокаций при внешнем напряжении т, определяемом, как отмечается в работе [36], числом дислокаций в одном скоплении

Механизм этого явления представим следующим образом. Я- И. Френкель обосновал существование у металлов двойного поверхностного электрического слоя, образованного облаком свободных (нелокализованных) электронов над металлической поверхностью и положительными ион-атомами остова кристаллической решетки (слоем избыточных поверхностных катионов). Этот двойной слой для краткости в дальнейшем будем именовать френкелевским. Во френкелевском двойном слое всегда существует скачок потенциала, в том числе и при отсутствии заряда на поверхности металла, т. е. в нулевой точке металла (как и скачок потенциала, связанный с ориентацией диполей растворителя [84]). Деформационное локальное расширение решетки вблизи поверхности металла ведет к «отсасыванию» электронов из соседних областей, в том числе из френкелевского двойного слоя, вследствие выравнивания уровня Ферми. Возникновение локального потенциала деформации растянутой области сопровождается изменением в противоположном направлении потенциала областей, которые выполнили функцию донора электронов. Нелокализованные электроны френкелевского двойного слоя наименее прочно связаны с ион-атомами остова кристаллической решетки (относительно электронов внутренних областей) и в первую очередь втягиваются в растянутые области кристалла, «оголяя» поверхностный монослой ион-атомов остова решетки, несущих положительный заряд. В результате такого перетекания электронов образуется двойной электрический слой, состоящий из отрицательно заряженной обкладки — растянутых подповерхностных областей кристалла и положительной обкладки — монослоя выдвинутых наружу положительных поверхностных ион-атомов. Для краткости будем называть такой двойной слой, обусловленный деформацией, внутренним двойным слоем металла. Одновременно изменяется структура френкелевского двойного слоя вследствие частичного ухода в металл внешних электронов и в связи с этим уменьшается тормозящий выход электронов из металла скачок потенциала, а следовательно, уменьшается работа выхода электронов (уровень химического потенциала электронов внутри металла сохраняется). 98

В рассматриваемых условиях распределение локального потенциала деформации носит несимметричный характер (хотя средний интеграл его по объему равен нулю согласно закону сохранения заряда): в ограниченной области расширенной решетки около скопления дислокаций его величина имеет порядок (140), тогда как в остальной области недеформированного кристалла вследствие ее значительно большего размера уход компенсирующих электронов оказывает незначительное влияние на электронную плотность и вызывает пренебрежимо малое изменение потенциала. *

Таким образом, если внутри объема металла локальные деформационные изменения химического потенциала электронов аннулируются путем перераспределения электронной плотности за счет соседних больших объемов с возникновением локальных потенциалов деформации, то в тонком поверхностном слое в окрестности дислокационных скоплений эти изменения компенсируются эквивалентным из-, менением энергии внешних электронов i-френкелевского двойного слоя, в резуль-: тате чего восстанавливается уровень Ферми, но изменяется работа выхода электрона и, следовательно, сдвигается нулевая точка металла в сторону отрицательных, значений на величину потенциала деформации с образованием внутреннего двойного слоя в металле.

Величина работы выхода электрона в окрестности дислокации является функцией координат подобно величине потенциала деформации (см. гл. II):