5.5. Поверхнева енергія на границі зерен металу

Матеріали, що використовуються в техніці звичайно відносяться до полікристалічних. Більшість кристалічних твердих тіл містить внутрішні межі, які часто більшою мірою, ніж зовнішня поверхня впливають на властивості матеріалів. Кожний окремий кристал називають зерном, а область неузгодженості – межею зерен. Межі зерен – двовимірні дефекти. Атоми на межі зерен мають підвищену енергію в порівнянні з атомами усередині зерен і, як наслідок цього, більш схильні вступати в реакції.

Крім того, межі зерен мають відповідну енергію, тому вони виявляють схильність скорочувати займану ними поверхню. Рушійною силою такого зменшення енергії поверхні зерен є поверхневий натяг.

На практиці часто можливі виділення нової фази на межах старої. При цьому в рівновазі можуть знаходитися межі між двома кристалами однієї фази і межі між кристалами двох різних фаз.

Розглянемо випадкову рівноважну межу між 2 кристалами однієї фази і меж між кристалами 2 різних фаз. Умова рівноваги стосовно цього випадку представлена на рис.5.10 і рис.5.11.

Позначимо поверхневий натяг між двома кристалами усередині фази , а енергію між фазної границі – . Умова рівноваги зводиться до того, що векторна сума поверхневого натягнення, відкладених в площині, нормальній до загального ребра трьох призматичних зерен, повинна дорівнювати нулю (рис.5.11). Згідно схеми одержуємо:

(5.33)

Рис.5.10. Двогранний кут між двома

кристалами однієї фази.

Рис.5.11. Схема рівноважної границі

між кристалітами однієї фази.

Таким чином, лінійний кут двогранного кута характеризує співвідношення між поверхневими натягами на межах зерен, що належать до однієї фази.

На рис.5.12 зображена рівноважна границя між двома кристалами однієї фази ( ) із поверхневим натягом і границя між кристалами різних двох фаз з величиною поверхневого натягу між ними .

Для цього випадку після перетворення виразу (5.33) одержимо

(5.34)

Рис.5.12. Рівноважна границя між кристалами різних двох фаз

Задаючись різними значеннями кута θ, можна знайти співвідношення між вказаними поверхневими натягами. На рис.5.13 показана залежність між співвідношенням і значенням кута θ⁰.