4.3.7. Жидкий кристалл

Рассмотрим диаграмму (рис. 4.11) в координатах температура-раз мер зерен, Т - L. Область 1, где размер зерен в кристаллическом состоянии имеет величину порядка 1 мм, 1 см и больше, соответствует монокристаллам. Рассмотрим переход в жидкое состояние, в область 1(2), без измельчения зерна; как отмечено выше, это достигается подгонкой монокристалла по размеру тигля, чтобы уменьшить течение при расплавлении; минимизацией случайных внешних механических воздействий, вибраций, полей, а также градиентов температуры, возбуждающих конвекцию, и др. В случае успеха мы получим жидкий "квазимонокристалл", из которого обратной кристаллизацией можно снова получить твердый монокристалл, подобный расплавленному.

Обсудим вопрос: какова природа этого жидкого "квазимонокристаллического" состояния 1(2) (см. рис 4.11)? Очевидно, это не что иное, как жидкий кристалл - так называют известные жидкие фазы с дальним порядком [109]. Такое жидкокристаллическое состояние можно, очевидно, получить почти у любого вещества, хотя во многих случаях такие состояния весьма неустойчивы, и для их сохранения требуются тщательные предосторожности. Подобные состояния получают, очевидно, при описанном процессе расплавления и обратной кристаллизации монокристалла с сохранением ориентации; это состояние реализуется в таких экспериментах между двумя твердыми состояниями.

Если в обсуждаемом "квазимонокристаллическом" жидком состоянии измельчать зерно, то мы получим, очевидно, крупнозернистую жидкость 2(2), затем мелкозернистую 3(2) и далее жидкость 4(2), которую можно назвать стеклоподобной по структуре. Применяя "термовременную обработку", то есть временный перегрев до состояния простой жидкости, можно, очевидно, получить еще "бесструктурную" реальную жидкость 5 практически без зернистой структуры. "Память" жидкости о внешних воздействиях основана, вероятно, на том, что эти воздействия обеспечивают переходы между подобными состояниями, например, через измельчение зерна.

4.3.8. Зависимость свойств поликристалла от размера зерна. Сверхпластичность. Дисперсионное упрочнение

Если от твердых монокристаллов на диаграмме рис. 4.11 двигаться по горизонтали (при постоянной температуре) влево, к все более мелкому зерну, то дальний порядок в системе будет все более нарушаться увеличивающимся количеством межзеренных границ, и в конце концов мы придем, очевидно, к какому-то бесструктурному состоянию. Выше температуры стеклования Тст (то есть выше примерно Тпл/2) такое все большее измельчение зерна должно привести в пределе в область жидкости 4(1) с повышенной вязкостью (см. рис. 4.11). Для сталей это температуры, превышающие Тст  600 ⁰С, для алюминиевых сплавов - температуры выше 200 ^oС; в случае легкоплавких металлов в эту область попадают комнатные температуры. Ниже Тст аналогичный процесс измельчения зерна поликристалла приведет нас, очевидно, в область стекла 4.

Рис. 4.11. Диаграмма Т - L . Состояния вещества в зависимости от размера зерна и температуры. Стрелками показана траектория термовременной обработки металла

В традиционной теории радиус дальнодействия связей и, соответственно, толщина поверхностных слоев зерен имеют величину порядка нанометра (или порядка диаметра атома). Следовательно, чтобы приблизиться к свойствам жидкости выше Тпл/2 или стекла ниже Тпл/2, требуется чрезвычайно глубокое измельчение зерна до нанометров; это практически недостижимо, поэтому такое приближение к свойствам жидкости или стекла нереально и обычно не обсуждается. В предлагаемой модели жесткость структуры поддерживается стабилизирующими её эффектами с радиусом дальнодействия R порядка коллоидного параметра L, R  L  10 мкм, что на 3 - 4 порядка больше по сравнению с традиционной моделью. Поэтому приближение свойств поликристалла ксвойствам жидкости (выше Тпл/2) должно наступить уже при реальном измельчении, при L  10 мкм. В этой области поликристалл перейдет, очевидно, в какое-то особое состояние.

Этим особым состоянием является, по нашему мнению, известное состояние сверхпластичности [152]; его наблюдают обычно у легкоплавких сплавов при комнатных температурах, что соответствует условию Т > Тпл/2. Явление сверхпластичности состоит, в частности, в том, что при достаточном измельчении зерна (L  10¹ мкм) сплав приобретает способность претерпевать без разрушения очень большую степень деформации, которая многократно превышает обычные значения; предел текучести при этом оказывается намного ниже обычного. По обоим параметрам материал как бы приближается к жидкости. При растяжении образца сверхпластичного металла сопротивление материала деформации часто уменьшалось настолько, что не поддавалось измерению, выходило за пределы возможностей установки; удлинение оказывается в 10-100 раз больше обычного [152]. Очень большое удлинение и малое сопротивление свидетельствуют о том, что по ходу растяжения образца успевают пройти процессы релаксации напряжений, "залечивания" возникающих дефектов структуры и, возможно, процессы рекристаллизации. Дефекты не накапливаются по ходу деформации. На межзеренных границах металл приближается , очевидно, к жидкостному поведению.

"Размягчение" вещества около межзеренных границ при повышенных температурах Т > Тст фиксируется и другими методами. В частности, модуль сдвига поликристалла здесь становится значительно меньше, чем у монокристалла [153] ( рис 4.12). Это уменьшение зависит от частоты применяемых колебаний и содержит, следовательно, кинетическую компоненту. Ряд исследований свидетельствуют о том что "жидкостными" являются поверхностные слои льда. Этим объясняют аномально низкий коэффициент трения на границе металл-лед [154]. Жидкостное поведение дают частицы дисперсных и ультрадисперсных металлических порошков, которые не только интенсивно спекаются, но даже сливаются как капельки, иногда даже при комнатных температурах [118].

Рис. 4.12. Зависимость модуля сдвига алюминиевого сплава от температуры для монокристаллического (1) и поликристаллического (2) образцов [153]

При пониженных температурах Т<Тст измельчение зерна поликристалла должно приближать его свойства уже не к характеристикам жидкости, но к свойствам стекла. Действительно, с приближением размера зерна к величине коллоидного параметра L  10 мкм прочность поликристалла повышается и приближается к прочности стекла. Это широко известное явление называется "дисперсионное упрочнение"; измельчение зерна для повышения прочности и пластичности - одна из важных задач в металлургии.

Если от состояния дисперсно-упрочненного, (то есть очень мелкозернистого) поликристалла еще несколько измельчить зерно, то система окажется в состоянии стекла 4 (см. рис. 4.11); такое же небольшое дополнительное измельчение зерна от состояния сверхпластичности приведет систему в область жидкости. Обычно это остается неосознанным; не обсуждается тот факт, что дисперсно-упрочненный и сверхпластичный материал находятся в пограничном, предельном состоянии, на границе области соответственно стекла и жидкости.