Строение и свойства поверхностного слоя

1. Как изменяется зависимость квадрата амплитуды колебаний атомов от поверхности в глубь кристалла и к чему это приводит?

для поверхностного атома средний квадрат амплитуды колебания, нормального к свободной поверхности, почти на 100 %, а параллельного поверхности  на 30 % больше, чем для атома внутри кристалла. С увеличением расстояния от свободной поверхности амплитуда колебаний атомов быстро стремится к своему значению внутри кристалла. Колебания атомов в пятом атомном слое практически неотличимы от колебаний атомов в объеме.

1. Как взаимодействует свободная поверхность с точечными дефектами и дислокациями, имеющимися в кристалле?

Анализ показал, что с поверхностью не взаимодействуют лишь дислокации, строго перпендикулярные ей. Дислокации, расположенные под углом или параллельно, притягиваются к свободной поверхности.

1. С какой силой взаимодействует свободная поверхность с точечными дефектами и дислокациями, имеющимися в кристалле?

Сила притяжения F к своему изображению, т.е. в направлении к свободной поверхности параллельной ей дислокации, максимальна и изменяется обратно пропорционально ее расстоянию L от поверхности: F=-Gb2/4пиL ,

где G - модуль сдвига материала; b - модуль вектора Бюргерса.

1. Как ведут себя дислокации, когда на поверхности металла присутствует оксид и что из этого следует?

Для многих окисленных поверхностей металлов G1 > G. Наличие слоя оксида будет препятствовать выходу из металла дислокаций, образующихся при его деформировании. В цинке, алюминии и железе удаление оксидных слоев после деформирования вызывает дополнительную малую деформацию в том же направлении, в котором протекала первоначальная деформация.

1. Почему приповерхностный слой отличается от объема кристалла неравновесным содержанием примесных атомов (примерно не толщину в 1 мкм)?

Приповерхностный слой отличается от объема неравновесным содержанием примесных атомов. Согласно теории неравновесной сегрегации такой слой может иметь толщину до 1 мкм.

1. Чем обусловлено, что некоторый приповерхностный слой толщиной 5-10 атомных слоев (2-5 мкм) отличается от объема кристалла?

Необходимо отметить, что, хотя особые динамические свойства атомов поверхности и увеличенные межатомные расстояния наблюдаются лишь в сравнительно тонком наружном слое (до 5-10 атомных слоев), взаимодействие этого слоя с дефектами кристаллического строения носит дальнодействующий характер. Вследствие этого и некоторый приповерхностный слой конечной толщины отличается от объема кристалла плотностью дефектов, химическим составом и свойствами. Аномальность механических свойств приповерхностного слоя, наблюдаемая на очень малой глубине ( 2-5 мкм) связана, прежде всего, с облегченной пластической деформацией в поверхностных слоях кристаллических материалов, обусловлена особенностями его структуры и электронного строения.

1. Какие силы действуют на поверхность при ее механической обработке?

Обрабатываемая резцом поверхность детали (рис. 4) подвергается воздействию нормальной сжимающей силы и силы трения, действующей в направлении линии среза. Нормальная сила вызывает сжатие по направлению своего действия, а сила трения  растяжение поверхностных слоев, расположенных позади режущей кромки резца или зерна абразива.

1. Как снимается наклеп, вызванный той или иной механической обработкой?

Чем выше температура нагрева и больше степень наклепа, тем больше максимальная в начальный момент и непрерывно уменьшающаяся скорость разупрочнения. Остаточные макронапряжения независимо от их знака способствуют снятию наклепа.

1. Что происходит при возврате и рекристаллизации?

Наклеп при нагреве снимается возвратом и рекристаллизацией. При возврате уменьшается концентрация точечных дефектов, и перераспределяются дислокации без образования новых границ (отдых) или с образованием и миграцией малоугловых границ (полигонизация). Поликристаллические металлы с кубической решеткой, деформированные в обычных условиях, в процессе возврата восстанавливают только часть свойств. При рекристаллизации полностью восстанавливаются свойства, характерные для недеформированного состояния.

1. Почему в слоях подвергшихся деформированию при механической обработке значительно увеличивается скорость диффузии и самодиффузии?

В слоях, подвергшихся деформированию при механической обработке, значительно увеличивается скорость самодиффузии и диффузии. Например, в никеле и сплаве ЭИ437Б скорость самодиффузии никеля возрастает в 100 раз в результате шлифования и в 30 раз после пескоструйной обработки. Исследования показывают резкое изменение коэффициента и энергии активации самодиффузии никеля в сплаве ЭИ437Б по мере удаления от поверхности. На глубине 30 мкм коэффициент диффузии почти в 1000 раз меньше, чем в тонком поверхностном слое, а энергия активации при этом возрастает в 2 раза. Наиболее резко уменьшается коэффициент диффузии на глубине до 5 мкм.

1. Почему наклепанное состояние более устойчиво для металлов с ГЦК – структурой?

Для кинетики диффузионной сварки важна температурная устойчивость структурных нарушений поверхностного слоя, обеспечивающих ускоренную диффузию. Исследования температурной зависимости разупрочнения наклепанного слоя показало, что в металлах имеющих ОЦК решетку (-Fe, Cr, Мо), наклепанное состояние менее устойчиво, чем в никеле и меди, имеющих ГЦК решетку, поэтому в них еще при достаточно высоких температурах удается регистрировать повышенную скорость диффузии в приповерхностном шлифованном слое.

1. Что такое ювинильная поверхность, ее особенность и как она образуется?

Представим себе, что разрываем металлический образец. До разрыва внутренние слои металла были абсолютно свободны от всяких посторонних загрязнений. Они были построены из нормальных кристаллических структур, с обычными для реального металла дефектами. Поверхность разрыва в момент ее образования идеально чиста. Такую чистоту называют ювенильной (рис. 1). Обнажающиеся при разрыве кристаллические грани элементарных кристаллов особенно и необычайно подвижны. В первые же миллионные доли секунды большая часть свободных электронов покидает металл и образует над его гранями подвижное отрицательно заряженное облако. Вслед за этим эффектом, а затем и одновременно с ним все острые кристаллические грани размываются. Придавая острым выступам округлые очертания: при выравнивании и закруглении рельефа поверхностная энергия уменьшается.

2. Почему на поверхности металла всегда образуется оксидная пленка даже в вакууме?

Электронное облако над поверхностью и избыточный положительный потенциал кристаллов создают прочный и стойкий двойной электрический слой (рис. 2, а). Такой слой может существовать только в абсолютном вакууме. Если же разрыв металла произошел на воздухе, то двойной пограничный слой может возникнуть только как первый импульсный эффект. Электронное облако без промедления (рис. 2, б) активирует молекулы кислорода в окружающей атмосфере, которые с большой скоростью образуют оксидную пленку. Электрическая структура пленки непрерывно сохраняет разнополярность внутреннего и наружного слоев. Если первый электронный слой возникает мгновенно, то он мгновенно вступает в взаимодействие с молекулами кислорода, активизируя их на образование химической связи с металлом. Над поверхностью металла образуется рыхлое и подвижное облако ионов металла. Его оксидов и свободных электронов. В

этом облаке самой активной составляющей и при том длительно, в течении минут и даже десятков минут, остаются свободные электроны. Электронная эмиссия с металлической поверхности за это время продолжается даже сквозь слой уже образовавшегося оксида (рис. 2, в)

3. Чем отличается механизм окисления сплавов от механизма окисления чистых металлов?

4. Что представляет собой реальная поверхность металлов?

5. Что следует из того, что для многих металлов модуль сдвига их оксидной пленки больше, чем модуль сдвига самого металла?

6. Чем обусловлена прочность сцепления жировой пленки с поверхностью?